Fotografija črne luknje

Črne luknje so gotovo prav pri vrhu seznama najbolj nenavadnih predmetov v vesolju. V njihovi bližini je sila težnosti namreč tako velika, da bi morali potovati hitreje kot svetloba, če bi ji želeli ubežati. Ker pa nič ne more potovati hitreje kot svetloba, ostane vse, kar zaide v črno luknjo, za večne čase ujeto v njeni notranjosti. Meji območja okoli črne luknje, od koder ni več mogoče pobegniti, pravimo dogodkovno obzorje. To je območje, kjer niti svetloba ni več dovolj hitra, da bi še lahko ubežala težnosti črne luknje.

Možnost, da v vesolju v resnici obstajajo predmeti, iz bližine katerih ne more pobegniti prav nič, je fizikom znana že vrsto let. Vendar dolgo časa nihče ni v resnici verjel, da lahko nekaj tako nenavadnega, kot je črna luknja, dejansko obstaja v naravi. Tudi sam Albert Einstein sprva ni bil povsem prepričan, ali nenavadne napovedi njegovih enačb splošne teorije relativnosti opisujejo resnične predmete v vesolju.

Virtualen teleskop v velikosti Zemlje

Za nastanek črne luknje potrebujemo namreč na prvi pogled ekstremne razmere. Zemlja bi se v črno luknjo spremenila šele, če bi jo stisnili na velikost frnikole, naše Sonce pa bi tvorilo črno luknjo, če bi se sesedlo v kroglo, manjšo od treh kilometrov. Šele takrat bi bila namreč težnost na površju dovolj velika, da niti svetlobi ne bi uspelo uiti. Zanimivo pa je, da vse črne luknje nimajo nujno zelo velike povprečne gostote. Pri ogromnih črnih luknjah, ki so velike kot naše osončje, je gostota snovi lahko v povprečju tudi razmeroma majhna, a kljub temu bo to območje prostora lahko navzven še vedno delovalo kot črna luknja.

Na možnost, da črne luknje morda res obstajajo, so astronomi najprej posumili, ko nekaterih zelo svetlih pojavov na nebu niso znali pojasniti drugače, kot da njihovo sevanje izvira iz izjemno vročih razmer, ki jih povzroča padanje snovi v predel z zelo veliko težnostjo.

Prve črne luknje so zaznali po na videz nenavadnem gibanju zvezd v njihovi okolici. Če namreč opazimo, da se kaka zvezda nenavadno premika po nebu, in hkrati ne vemo, zakaj to počne, je eden od vzrokov lahko tudi, da kroži okoli nevidne črne luknje. V primeru, ko se nenavadno giblje veliko zvezd v nekem predelu vesolja, kar lahko opazimo v bližini središča naše galaksije, lahko iz hitrosti gibanja teh zvezd izračunamo, kakšno maso ima črna luknja, ki vpliva na njihovo gibanje.

Aprila 2019 so znanstveniki javnost obvestili, da jim je črno luknjo prvič uspelo tudi fotografirati. Ker gre pri črni luknji za predmet, ki ga že po definiciji ni mogoče neposredno opazovati, saj svetloba ne more pobegniti iz njene bližine, je takšna napoved na prvi pogled nenavadna. Vendar jim je na fotografiji dejansko uspelo zbrati svetlobo, ki je le za las ušla iz objema črne luknje.

Ideja, da bi več teleskopov na Zemlji medsebojno povezali in tako zgradili nov navidezni teleskop, s katerim bi lahko fotografirali črno luknjo, se je astronomom porodila že pred nekaj leti. Zamislili so si, da bi več radijskih teleskopov, ki so nameščeni na različnih koncih Zemlje, usklajeno opazovalo majhno območje neba, za katero so domnevali, da je na njem črna luknja.

Teleskop dogodkovnega obzorja, kot so takšno sodelovanje med teleskopi poimenovali, si lahko predstavljamo tako, kot da bi zgradili ogromno zrcalo v velikosti Zemlje, nato pa bi ga razbili in bi od njega ostalo le nekaj majhnih delcev. To so radijski teleskopi na različnih koncih planeta, ki jih morajo astronomi med seboj povezati in uskladiti, da se obnašajo, kot da gre za dele enega samega zelo velikega teleskopa. Usklajenost v tem primeru pomeni, da morajo vsa opazovanja izvesti tako natančno, da so podatki medsebojno usklajeni na ravni najbolj natančnih atomskih ur, kar je tehnično izjemno zahtevno.

Podatke, ki so jih ločeno zbirali na več različnih radijskih teleskopih, so shranjevali na zelo hitre diske in jih nato z letali pripeljali na inštitut, kjer so jih analizirali s pomočjo zmogljivih računalnikov. Z računanjem so iz zbranih podatkov tako poustvarili sliko, ki naj bi ustrezala viru signala, ki so ga zbrali s pomočjo teleskopov. Ker so bili posamezni teleskopi na različnih koncih Zemlje, prav tako se Zemlja ves čas vrti, so morali izvesti dokaj zahtevne računske operacije, da so uspešno rekonstruirali celotno sliko.

S teleskopi so zbirali svetlobo pri valovni dolžini 1,3 milimetra, kar je drugačna valovna dolžina kot pri vidni svetlobi. Barve na končni sliki tako ponazarjajo intenziteto zbrane svetlobe pri tej frekvenci. Čeprav je fotografija sestavljena na zelo nenavaden način, gre za dejansko sliko predela v okolici črne luknje.

Fotografija črne luknje velikanke

Sprva so nameravali posneti fotografijo črne luknje v središču naše galaksije Rimska cesta, a so se nato zaradi bolj stabilnega vira najprej lotili bolj oddaljene, a bistveno večje črne luknje v jedru galaksije M87. Ta črna luknja velikanka ima namreč maso kar 6,5 milijarde Sončevih mas. Gre za gromozansko črno luknjo, ki se razprostira na območju, velikem kot naše celotno osončje. Črna luknja ima tako velik premer, da bi svetloba z enega konca do drugega potovala kar 15 dni, od nas pa je oddaljena 53,5 milijona svetlobnih let. Ker svetloba ne potuje neskončno hitro, jo danes z Zemlje opazujemo takšno, kakršna je bila nekje v času, ko so na Zemlji izumirali dinozavri.

Črna luknja v središču naše galaksije je bistveno manjša, vendar je hkrati veliko bližje. Razdalja do središča naše galaksije znaša le 26.000 svetlobnih let, kar pomeni, da je navidezna velikost obeh črnih lukenj na nebu za nas na Zemlji približno enaka. Pričakujemo lahko, da bo teleskop dogodkovnega obzorja kmalu objavil tudi fotografije ali morda celo kratek film nam bližnje črne luknje v središču Rimske ceste.

Meritve za prvo fotografijo črne luknje so opravili s teleskopi v Španiji, Mehiki, ZDA, Čilu in na Havajih med 5. in 11. aprilom 2017. Imeli so srečo, da je bilo v tem obdobju nebo hkrati jasno na osmih različnih koncih Zemlje kar štiri dni. Ločene skupine znanstvenikov v ZDA in Evropi so nato iz zbranih podatkov ustvarile sliko, ki je ustrezala zbranim meritvam. Sledilo je še natančno preizkušanje najrazličnejših možnosti, kaj vse bi lahko vplivalo na zbrane podatke in zaradi česar slika morda ne bi bila verodostojna.

Ko so z veliko različnimi testi pokazati, da nikjer ni prišlo do napake, so zaključili, da zbrani podatki dejansko ustrezajo podobi okolice črne luknje. Spomladi 2019 so rezultate javno objavili v seriji znanstvenih člankov in priredili velik medijski dogodek.

Kaj vidimo, ko gledamo proti črni luknji

Dogodkovno obzorje oziroma meja, od katere niti svetloba ne more več pobegniti, je v sredini fotografije in je približno 2,5-krat manjša kot črnina, ki jo obkroža svetel oranžni obroč. Svetloba, ki so jo zaznali, prihaja iz zadnjih stabilnih orbit, po katerih lahko snov še kroži, preden jo dokončno posrka v črno luknjo. Po teh orbitah se snov giblje z zelo veliko hitrostjo in zato močno seva. Snov v bližini črne luknje žari pri približno sto milijonih stopinj, kar je strašansko vroče, če vemo, da znaša temperatura na površju Sonca nekaj tisoč stopinj.

Zakaj na fotografiji črne luknje vidimo le svetel obroč, ne pa svetle krogle, si lahko pojasnimo s prispodobo. Če bi po Luni v različnih smereh vozilo zelo veliko avtomobilov s prižganimi sprednjimi žarometi, bi prav tako opazili le svetel obroč. Le na predelu Lune, na katerem imajo avtomobili sprednje luči usmerjene neposredno proti nam, bi namreč zaznali svetle pike, sicer bi žarometi svetili v druge smeri, ne proti Zemlji. Pri sliki črne luknje je malo svetlejši tisti del obroča, kjer se snov, ki seva, giblje v smeri proti nam.

Fotografija črne luknje velja za najbolj podrobno sliko makroskopske narave doslej. Ločljivost teleskopa, s katero so jo posneli, je skorajda neverjetna, saj ustreza napravi, s pomočjo katere bi lahko iz Ljubljane brali časopis, ki bi bil v New Yorku. Revija Science je fotografijo črne luknje razglasila za najpomembnejši dosežek znanosti v letu 2019.

-