Spoznajte črno luknjo Strelec A*

Predstavniki svetovne znanstvene ekipe Event Horizon Telescope (EHT) so danes na več simultanih novinarskih konferencah predstavili »prelomne izsledke« o naši galaksiji. Objavili so fotografijo črne luknje Strelec A* (Sagittarius A* ali SgrA*), ki kraljuje v središču Galaksije.

Fotografija je podobna tisti iz leta 2019 - EHT je namreč pred dvema letoma poskrbela za zgodovinsko fotografijo – na podlagi večletnega zbiranja podatkov so sestavili prvi resnični portret črne luknje. Takrat je bila glavna zvezda črna luknja v galaksiji M87. 

»Imamo dva povsem različna tipa galaksij in dve zelo različni črni luknji, kar se tiče mase, a blizu roba so črne luknje videti zelo podobno,« je poudaril profesor astrofizike na univerzi v Amsterdamu Sera Markoff. Črna luknja v središču M87 ima maso šestih milijard Sonc, Strelec A* pa približno štirih milijonov Sonc. M87 je supervelika eliptična galaksija, je ena najbolj masivnih glaksij v lokalni skupini, naša pa je spiralna galaksija.

Astronomi so odkrili in razložili številne dokaze, na podlagi katerih so trdili, da je tudi v središču naše galaksije supermasivna črna luknja, danes objavljena fotografija pa je prvi vizualni dokaz za to, hkrati pa dodaja nove podatke, da bomo še bolje lahko razumeli te črne pošasti, ki iz svojega primeža ne izpustijo niti svetlobe. Tudi tokrat seveda gledamo senco črne luknje. »Osupnilo nas je, kako velikost prstana sovpada z napovedmi Einsteinove splošne teorije relativnosti,« je poudaril Geoffrey Bower z instituta za astronomijo in astrofiziko Sinica v Tajpeju. »Ta prvenstvena opazovanja so močno izboljšala razumevanje, kaj se dogaja v središču galaksije in kako te ogromne črne luknje vplivajo na okolico.«

Novinarska konferenca skupina EHT:

Objava izsledkov s komentarjem slovenskih astronomov:

Črna luknja v M87

Desetega aprila 2019 so astronomi poudarjali, da se bo zgodovina znanosti delila na čas pred fotografijo in po njej. Delo skupine, ki vključuje več kot 200 znanstvenikov, je brez dvoma izjemno: povezali so več radijskih teleskopov in posneli senco črne luknje.

To je prva fotografija črne luknje, ki jo je aprila 2019 predstavila skupina EHT. FOTO: EHT/Reuters

Znamenita fotografija prikazuje svetlobo okoli dogodkovnega obzorja (to je meja brez povratka, ko delec prestopi to obzorje, ne more več uiti), same črne luknje seveda ni mogoče fotografirati, saj je to popolnoma črn objekt, iz katerega ne more pobegniti niti svetloba. Vendar so pred tem številni verjeli, da ni mogoče posneti niti sence. Znanstveniki so tako dobili prvi posnetek akrecijskega diska.

Fotografija sence, od koder ni vrnitve

Mrežo observatorijev na različnih koncih planeta so v EHT sestavili tako, da so oblikovali kot Zem­lja velik teleskop in ga usmerili v dva vesoljska objekta: v Strelca A*, nam najbližjo supermasivno črno luknjo v središču naše galaksije, ki je oddaljena 26.000 svetlobnih let, ter v še večjo črno luknjo v 53,5 milijona svetlobnih let oddaljeni galaksiji Messier 87 (M87).

Da so lahko slikali črno luknjo, so morali povezati več teleskopov po vsem svetu. FOTO: Eht/k. Johnson

Črna luknja v središču M87 je velika približno toliko kot Osončje. Z maso šestih milijard Sonc je ena najbolj masivnih črnih lukenj, kar jih poznamo. ETH je uspelo posneti luknjo M87, ne pa tudi Strelca A*, vendar so že takrat poudarili, da ne mečejo puške v koruzo. Še več, v zadnjih treh letih so mreži dodali nove, zmogljivejše teleskope. V letih 2019 in 2020 so sicer opazovan­ja odpadla zaradi tehničnih težav in nato še pandemije, lani in letos pa so mrežo znova zagnali. Kot so pojasnili aprila 2019, bližina črne luknje nima ključne vloge. M87 je bila pravzaprav ugodnejša, saj je z našega gledišča statična, črna luknja v središču Galaksije pa je seveda z Zemlje manj idealna za opazovanje, saj gre za isti galaktični disk.

V Strelca A* bi lahko stlačili približno štiri milijone Sonc, torej je precej manjši od gigantske sestre v M87. Središče Galaksije je na robu ozvezdja Strelec na južnem nebu, od tod ime naše črne luknje. Z njo se trenutno ne dogaja nič kaj posebnega, obstajajo pa dokazi o pretekli aktivnosti.

V neposredni bližini Strelca A* je kar nekaj zvezd, ki se gibljejo z veliko hitrostjo; pred dvema letoma je ena izmed njih potovala mimo črne luknje na razdalji med Soncem in Saturnom, pri čemer je dosegla hitrost osem odstotkov hit­rosti svetlobe. Andrea Ghez in Reinhard Genzel sta za svoje večlet­no opazovanje gibanja zvezd okoli Strelca A* leta 2020 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

Od podatkov do slike

Supermasivne črne luknje prežijo v središčih skoraj vseh galaksij. Lačne in nevidne potrpežljivo čakajo na hrano. Včasih se zgodi, da v njihovo bližino zaide zvezda, planet, asteroid ali oblak plina. Črna luknja prišleka raztrga s svojo močno gravitacijo, ostanki pa se razporedijo okoli luknje v disk delcev, ki ob potovanju skozi močna magnet­na polja sevajo svetlobo.

Neposredno jih ne moremo videti, lahko pa opazujemo svetlobo, ki jo seva disk. Opazujemo lahko torej rob oziroma senco črne luk­nje. Supermasivne črne luknje običajno obdajajo večji oblaki prahu, ki zakrijejo vidno svetlobo, zato astronomi okolico črnih lukenj opazujejo v radijski svetlobi, ki bolj ali manj neovirano potuje skozi oblake. A radijska svetloba ima svojo ceno. Daljša kot je valovna dolžina svetlobe, ki jo opazujemo, večji teleskop potrebujemo, če želimo razločiti podrobnosti na slikah. Ob opazovanju se vsi teleskopi mreže EHT, ki so posejani po Evropi, Južni in Severni Ameriki in tudi na Antarktiki, sočasno obrnejo proti svoji tarči. Vsi pridobljeni podatki se zabeležijo in nato na diskih prinesejo v računalniški center, kjer jih znanstveniki analizirajo na poseben način.

Posneti okolico črne luknje je eno, interpretacija slike pa drugo. Na robu črne luknje je gravitacija izjemna, zato svetloba ne potuje naravnost. Del svetlobe pravzaprav prihaja izza črne luknje. Za razumevanje popačene slike je bilo treba izdelati teoretične modele in narediti zahtevne numerične simulacije. Šele s primerjavo slike in številnih modelov so znanstveniki ugotovili, kaj pravzaprav gledajo. Dejstvo, da se teoretični modeli ujemajo z opazovanji, je velik uspeh znanosti. Študija je pokazala, da splošna teorija relativnosti dobro opiše razmere v območju močne gravitacije. Slika je med drugim omogočila natančno meritev mase, velikosti in smeri vrtenja črne luknje ter lastnosti magnet­nih polj v njeni okolici.

Črne luknje so neposredna napoved splošne teorije relativnosti, ki jo je Albert Einstein predstavil leta 1916. Einstein sam je dvomil o njihovem obstoju, saj splošna teorija relativnosti napoveduje, da naj bi se v njih nahajala gravitacijska singularnost, torej neskončna gostota snovi oziroma neskončna ukrivljenost tkanine vesolja prostor-čas. Znanstveniki menijo, da se teorija v singularnosti zlomi zaradi neupoštevanja kvantnih pojavov. Žal za zdaj še nihče ni uspešno združil teorij gravitacije in kvantne fizike, kar bi morda rešilo problem.

Za prvo odkrito črno luknjo velja Cygnus X-1, ki so jo zaznali leta 1964. Danes menijo, da jih je samo v naši galaksiji posutih tudi več kot sto milijonov. Glede na velikost poznamo več različnih črnih lukenj. Manjše nastanejo ob smrti večjih zvezd (manj masivne zvezde se ob smrti spremenijo ali v nevtronsko zvezdo ali belo pritlikavko). Sredica zvezde se sesuje sama vase in materija se tako zgosti, da postane gravitacijsko polje tako močno, da ne izpusti ničesar več. Kako so nastale supermasivne črne luknje v središčih galaksij oziroma kako so rasle, še ni povsem pojasnjeno. Morda so nastale z združevanjem več tisoč manjših črnih lukenj, z implozijo zvezdnih kopic, skupka več zvezd, ali pa s sesedanjem ogromnega oblaka plinov. Nevidne objekte lahko odkrivajo predvsem zaradi njihovega vpliva na okolico. Okoli njih se oblikuje akrecijski disk, ki zaradi ekstremne segretosti proizvaja visokoenergetsko sevanje. Ukrivljajo tudi prostor in s tem svetlobo, ki potuje mimo.