Η εικόνα M87 θα αλλάξει την κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες, αλλά γιατί ήταν τόσο δύσκολο να αποτυπωθεί η φωτογραφία;

Η Τετάρτη 10 Απριλίου ήταν μια χρονική στιγμή στην ιστορία της επιστήμης. Σε έξι ταυτόχρονες συνεντεύξεις τύπου σε όλο τον κόσμο, μια διεθνής ομάδα αστρονόμων αποκάλυψε την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας.

«Ήταν μια από τις πιο συναρπαστικές μέρες της ζωής μου», λέει ο Feryal Özel από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στο Tucson, ο οποίος είναι επικεφαλής της ομάδας μοντέλων. "Για μένα, είναι το αποκορύφωμα σχεδόν δύο δεκαετιών δουλειάς."

Στην πραγματικότητα, η ομάδα παρατήρησε όχι μία μαύρη τρύπα αλλά δύο:Τοξότης Α*, μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στον δικό μας Γαλαξία που ζυγίζει 4,3 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου και έναν ξάδερφο στον γαλαξία M87, ο οποίος είναι περίπου 1.000 φορές μεγαλύτερος .

Η πρώτη εικόνα που αποκαλύφθηκε είναι του M87 – Ο Τοξότης Α*, επειδή είναι μικρότερος, κυκλώθηκε από την ύλη πολλές φορές κατά την παρατήρηση, δίνοντας μια πιο θολή εικόνα. Η εικόνα της μαύρης τρύπας στο M87, από τότε που ονομάζεται Powehi, δείχνει λεπτομέρεια μικρότερη από την έκταση του ορίζοντα γεγονότων της, το σημείο χωρίς επιστροφή για το φως και την ύλη που πέφτει. Είναι δυνατό να δει κανείς τόσο εξαιρετική λεπτομέρεια επειδή η έντονη βαρύτητα κάθε μαύρης τρύπας λειτουργεί σαν φακός, γεγονός που κάνει την εικόνα να φαίνεται πέντε φορές μεγαλύτερη από τον ορίζοντά της.

Ο ορίζοντας στο M87 εμφανίζεται ως μια σκοτεινή «σκιά με οπίσθιο φωτισμό από έντονα ραδιοκύματα που εκπέμπονται από ύλη που θερμαίνεται σε πυράκτωση καθώς στροβιλίζεται προς τα κάτω μέσω ενός δίσκου προσαύξησης» στις μαύρες τρύπες. Το φωτοστέφανο γύρω από τη σκιά είναι πιο φωτεινό στη μία πλευρά παρά στην άλλη. "Αυτό συμβαίνει επειδή ο δίσκος προσαύξησης περιστρέφεται, με αποτέλεσμα το φως από το τμήμα που έρχεται "προς εμάς να ενισχυθεί σε σχέση με αυτό από το τμήμα που υποχωρεί", λέει ο Özel.

Ανακαλύψτε περισσότερα για τις μαύρες τρύπες, πώς τις ανακαλύψαμε και τον ρόλο τους στο Σύμπαν στο τεύχος Μαΐου 2019 του BBC Science Focus Magazine - μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ.

Η αξιοσημείωτη εικόνα M87 λήφθηκε από το Event Horizon Telescope (EHT), μια σειρά από ραδιοφωνικά πιάτα διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο, τα οποία έχουν συνδυαστεί για να προσομοιώσουν ένα γιγάντιο τηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης.

Η ύπαρξη ενός τηλεσκοπίου μεγέθους Γης είναι το κλειδί για την απεικόνιση κάτι τόσο μικροσκοπικού όσο μια μαύρη τρύπα, επειδή η ανάλυση ενός τέτοιου τηλεσκοπίου –η λεπτότητα της λεπτομέρειας που μπορεί να διακρίνει– εξαρτάται από το μέγιστο διαχωρισμό των συστατικών μερών του.

Πώς σχηματίζονται οι μαύρες τρύπες;

Μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται όταν η ύλη συμπιέζεται σε έναν όγκο τόσο μικρό που η βαρύτητα της γίνεται πολύ έντονη για οτιδήποτε, ακόμα και το φως, να διαφύγει. Αυτό καθιστά μια μαύρη τρύπα αστρικής μάζας οπουδήποτε στον Γαλαξία μας πολύ μικρή για να μπορούμε να την δούμε με οποιοδήποτε τηλεσκόπιο της Γης.

Αλλά η φύση έκρινε σκόπιμο να δημιουργήσει έναν δεύτερο πληθυσμό μαύρων τρυπών. Αυτά είναι «υπερμεγέθη» με μάζα έως και 50 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου, ένα από τα οποία κρύβεται στην καρδιά σχεδόν κάθε γαλαξία.

Ωστόσο, λόγω του ότι είναι πολύ μακριά, αυτά τα μεγαθήρια είναι τόσο δύσκολο να απεικονιστούν όσο οι μαύρες τρύπες αστρικής μάζας στη δική μας γειτονιά. Εκτός από δύο περιπτώσεις:τον Τοξότη Α*, ο οποίος απέχει μόλις 27.000 έτη φωτός, και τον πιο ογκώδη ξάδελφό του με ηλιακή μάζα επτά δισεκατομμυρίων στο M87, σε απόσταση 56 εκατομμυρίων ετών φωτός. "Γι' αυτό επιλέχθηκαν ως στόχοι για το EHT", λέει ο Özel.

Υπάρχει επίσης το θέμα του πού να κοιτάξουμε στο φάσμα φωτός. Τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που κινούνται σπειροειδή στα έντονα μαγνητικά πεδία που εκτείνονται από τον δίσκο προσαύξησης μιας μαύρης τρύπας δημιουργούν ραδιοκύματα, τα οποία έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν εύκολα να διαπεράσουν τη σκόνη που καλύπτει τα κέντρα των γαλαξιών και έτσι να φτάσουν στη Γη.

Ο Özel είναι ειδικός στην προσομοίωση πώς θα πρέπει να μοιάζει το ταραχώδες περιβάλλον μιας μαύρης τρύπας που περιβάλλεται από έναν υπερθερμασμένο δίσκο προσαύξησης σε διαφορετικά μήκη κύματος. «Αποδεικνύεται ότι το βέλτιστο μήκος κύματος είναι 1,3 mm», λέει ο Özel. "Όχι μόνο είναι δυνατό να δούμε μέσα από τον δίσκο προσαύξησης στην τρύπα, αλλά ο Γαλαξίας μας και η ατμόσφαιρα της Γης είναι διαφανείς σε ραδιοκύματα σε αυτό το μήκος κύματος."

Παρά το ότι χρησιμοποιείται αυτό το μήκος κύματος, οι υδρατμοί στην ατμόσφαιρα μπορούν ακόμα να απορροφήσουν μερικά από τα πολύτιμα ραδιοκύματα. Για το λόγο αυτό, οι αστρονόμοι του EHT επέλεξαν μια εποχή του χρόνου για να κάνουν παρατηρήσεις που μεγιστοποιούν την ξηρότητα σε όλα τα τηλεσκόπια, τα οποία βρίσκονται σε μέρη τόσο μακρινά όπως η Χιλή, η Χαβάη και η Γροιλανδία. "Ο βέλτιστος χρόνος είναι από τα τέλη Μαρτίου έως τα τέλη Απριλίου", λέει ο Özel.

Τον Απρίλιο του 2017, το EHT παρατήρησε με τηλεσκόπια σε οκτώ τοποθεσίες. το 2018, προστέθηκε ένα πιάτο στη Γροιλανδία, ανεβάζοντας το σύνολο σε εννέα. Τώρα, με την προσθήκη ενός πιάτου ραδιοφώνου στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Kitt Peak στην Αριζόνα, υπάρχουν 10, αλλά οι παρατηρήσεις που έγιναν το 2017 έδωσαν τις εικόνες του Τοξότη Α* και του Μ87.

Σε κάθε εκτέλεση παρατήρησης, τα δεδομένα από κάθε τοποθεσία καταγράφονται σε σκληρούς δίσκους. Οι συνηθισμένοι δίσκοι δυσλειτουργούσαν στη χαμηλή πίεση στις τοποθεσίες τηλεσκοπίων μεγάλου υψομέτρου και έπρεπε να αντικατασταθούν από ειδικούς που αναπτύχθηκαν για το διαστημικό πρόγραμμα.

Το 2017, συνολικά 960 μονάδες δίσκου, η καθεμία με χωρητικότητα έξι ή επτά terabyte – ικανές να αποθηκεύσουν 1-2 δισεκατομμύρια φωτογραφίες – κατέγραψαν 5 petabyte δεδομένων. Οι δίσκοι, που μαζί ζύγιζαν περισσότερο από μισό τόνο, μεταφέρθηκαν στη Μασαχουσέτη και τη Βόννη στη Γερμανία, όπου τα σήματα από κάθε τοποθεσία συνδυάστηκαν σε ειδικά κατασκευασμένους υπερυπολογιστές γνωστούς ως "συσχετιστές".

Τα μεμονωμένα πιάτα του EHT μπορούν να θεωρηθούν ως μικροσκοπικά στοιχεία ενός γεμισμένου πιάτου στο μέγεθος της Γης. Αλλά ενώ τα ραδιοκύματα που προσκρούουν σε κάθε στοιχείο ενός γεμισμένου πιάτου αντανακλώνται σε μια εστία όπου συνδυάζονται φυσικά, αυτό δεν συμβαίνει για τα «στοιχεία» του EHT. Η διαδικασία πρέπει να μιμηθεί με την αναπαραγωγή των σημάτων σε έναν υπολογιστή και την ακριβή αναπαραγωγή των χρονικών καθυστερήσεων που θα υπήρχαν φυσικά μεταξύ τους στο εστιακό σημείο.

Ο τέλειος συγχρονισμός των σημάτων είναι δυνατός μόνο επειδή σε κάθε πιάτο καταγράφονται μαζί με σήματα ρολογιού από ένα εξαιρετικά σταθερό ατομικό ρολόι. Αλλά ο συνδυασμός των σημάτων εξακολουθεί να είναι εξαιρετικά χρονοβόρος, επειδή πρέπει να αντισταθμίσετε τις καθυστερήσεις που προκαλούνται από πράγματα όπως διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Αυτός είναι ο λόγος που χρειάστηκε τόσος χρόνος για την ανάλυση των δεδομένων.

Ακόμη και αυτό το τεράστιο κατόρθωμα των υπολογιστών εξακολουθεί να είναι μόνο η μισή δουλειά. Είναι ακόμα απαραίτητο να προσδιοριστεί ποια κατανομή της ύλης προκάλεσε πραγματικά το μοτίβο των ραδιοκυμάτων που παρατηρήθηκαν. "Η κατανόηση του τι συμβαίνει απαιτεί να καταλάβουμε τι συμβαίνει σε μια τεράστια κλίμακα", λέει ο Özel.

Αυτό που είναι τόσο αξιοσημείωτο είναι ότι φυσικοί όπως ο Özel ήταν τόσο επιτυχημένοι και ότι η εικόνα της μαύρης τρύπας στο M87 είναι τόσο κοντά σε αυτό που περίμεναν να δουν. Όμως, αν και αυτό είναι λόγος για πανηγυρισμούς μεταξύ των φυσικών, είναι πιθανό να αφήσει τους λαϊκούς ανθρώπους να συγκινούνται, νομίζοντας ότι έχουν δει μια μαύρη τρύπα στο παρελθόν.

«Είμαστε θύματα της δικής μας επιτυχίας!» παραδέχεται ο Özel. «Οι εντυπώσεις του καλλιτέχνη και οι προσομοιώσεις ταινιών για τις μαύρες τρύπες, με βάση τις προβλέψεις των φυσικών, αποδείχθηκαν σωστές. Αλλά αυτές οι τρύπες ήταν προσποιημένες. Η διαφορά τώρα είναι ότι βλέπουμε το πραγματικό πράγμα."

Δοκιμάζοντας τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν

Η Özel λέει ότι είναι «εκστατική» που είναι μέλος της ομάδας που έλαβε την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας, αλλά ότι είναι επίσης μια τεράστια ανακούφιση. «Οι προβλέψεις μας θα μπορούσαν να ήταν εντελώς λανθασμένες», λέει. "Ευτυχώς, καταλάβαμε σωστά τη φυσική!"

Μεταξύ άλλων, η εικόνα του πυρήνα του M87 έχει αποδώσει τη μάζα της μαύρης τρύπας του. Η διάμετρος του ορίζοντα γεγονότων μιας τρύπας αυξάνεται κατά 6 χιλιόμετρα για κάθε ηλιακή μάζα. Κατά συνέπεια, μετρώντας το πλάτος της τρύπας στην εικόνα και γνωρίζοντας την απόσταση από το M87, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί ότι ζυγίζει 6,5 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.

«Αυτό συνδυάζεται τέλεια με τη μάζα που προκύπτει από το πόσο γρήγορα στροβιλίζεται η βαρύτητα της τρύπας γύρω από τα κοντινά αστέρια», λέει ο Özel. "Αυτό την τοποθετεί στο κορυφαίο 10 τοις εκατό των μαύρων τρυπών κατά μάζα."

Ακούστε το Science Focus Podcast :

• Πώς να κρατήσετε τον εαυτό σας απασχολημένο στο διάστημα - Chris Hadfield
• Τα πιο μυστηριώδη αντικείμενα στο Σύμπαν - Colin Stuart

Ίσως το πιο αξιοσημείωτο πράγμα στην εικόνα, ωστόσο, είναι ο αιχμηρός «δακτύλιος φωτονίου» που σηματοδοτεί την εσωτερική άκρη του ντόνατ φωτός γύρω από την τρύπα. Αυτό είναι το σημείο στο οποίο το φως βυθίζεται στον ορίζοντα γεγονότων, για να μην το δούμε ποτέ ξανά στο Σύμπαν μας. Το μέλος της ομάδας EHT Heino Falcke από το Πανεπιστήμιο Radboud στο Nijmegen της Ολλανδίας, το θέτει σε προοπτική:«Έχουμε δει τις πύλες της Κόλασης στο τέλος του χώρου και του χρόνου».

«Η τρύπα είναι ένα μέρος του Σύμπαντος μας που ελέγχεται μόνιμα από τη θέα», εξηγεί ο Özel. "Ένα μέρος όπου η τρέχουσα φυσική μας δεν μπορεί να φτάσει."

Η καλύτερη τρέχουσα περιγραφή μας για τις μαύρες τρύπες είναι η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν. Ωστόσο, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας είναι πιθανό να είναι μια προσέγγιση μιας βαθύτερης θεωρίας. Δεδομένου ότι διασπάται στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, όπου προβλέπει την ύπαρξη ενός παράλογου σημείου άπειρης πυκνότητας. Μια τέτοια "ιδιαιτερότητα" προβάλλεται από τον ορίζοντα.

Ο αείμνηστος Stephen Hawking πρότεινε ότι η Γενική Σχετικότητα μπορεί επίσης να καταρρεύσει στον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας και ότι ο ορίζοντας μπορεί στην πραγματικότητα να μην είναι η επιφάνεια χωρίς επιστροφή που όλοι πιστεύουν ότι είναι.

«Δεν έχουμε δει ακόμη μια απόκλιση από τη θεωρία του Αϊνστάιν», λέει ο Özel, «αλλά η εύρεση μιας τέτοιας ασυμφωνίας θα ήταν εξαιρετικά σημαντική».

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος δεν πίστεψε ποτέ στις μαύρες τρύπες, θα ήταν τόσο ευχαριστημένος που η θεωρία του επιβίωσε, όσο και έκπληκτος που μια τόσο εφιαλτική πρόβλεψη αυτής της θεωρίας αποδεικνύεται αληθινή.

«Το γεγονός ότι η θεωρία του Αϊνστάιν, που διατυπώθηκε το 1915, προβλέπει με τόση ακρίβεια αυτό που έχουμε δει σε ένα τόσο ακραίο περιβάλλον, είναι ένας θρίαμβος για την επιστήμη», λέει ο Özel. «Μέχρι τώρα, ο ορίζοντας μιας μαύρης τρύπας δεν ήταν παρά ένας μαθηματικός τύπος σε ένα κομμάτι χαρτί», λέει ο Özel. "Τώρα είναι ένα πραγματικό πράγμα στο πραγματικό σύμπαν."

Η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας μπορεί να φαίνεται θολή, αλλά πιο ευκρινείς εικόνες θα ληφθούν τα επόμενα χρόνια. Πολύ πιθανόν, θα γίνει μια εμβληματική εικόνα στην ιστορία της επιστήμης, μαζί με την εικόνα του Απόλλωνα 8 της Γης που ανατέλλει πάνω από τη Σελήνη ή τη διπλή σπειροειδή σκάλα DNA.

«Εμείς οι άνθρωποι πρέπει να είμαστε περήφανοι για τον εαυτό μας», λέει ο Özel. «Είναι εύκολο να κατακλυζόμαστε από τα καθημερινά γεγονότα στη Γη, αλλά θα πρέπει να αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να σκεφτούμε:«Κάναμε αυτό το καταπληκτικό πράγμα. Έχουμε δει μέχρι την άκρη του χώρου και του χρόνου».

• Διαβάστε την ειδική αναφορά μας σχετικά με αυτήν την ιστορική εικόνα μιας μαύρης τρύπας στο τεύχος Μαΐου 2019 του BBC Science Focus – εγγραφείτε εδώ

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard