Czarna dziura i dżet. Polak z Uniwersytetu Harvarda o przełomowym zdjęciu, nad którym pracował

Kilka dni temu pisaliśmy o tym, że pozyskano przełomowy, bo niezwykle szczegółowy obraz tego, jak strumień materii został wyrzucony przez czarną dziurę znajdującą się w centrum galaktyki Centaurus A (lub NGC 5128). Mechanizmu, który stoi za wydostawaniem się dżetów z czarnych dziur - o których przecież myślimy, że pochłaniają wszystko, co znajdzie się blisko nich.

Dżet z czarnej dziury w centrum galaktyki Centaurus A (Michael Janssen Antxon Alberdi et al./Nature Astronomy)

Czytaj więcej: "Dżet wydostający się z supermasywnej czarnej dziury na niezwykle szczegółowym obrazie"

To, dlaczego czarne dziury są fascynujące, co naukowcom daje badanie ich, czym jest dżet i w jaki sposób zobrazowano go tak jak nigdy wcześniej, opowiedział nam Maciek Wielgus, astronom z Uniwersytetu Harvarda, naukowiec, który pracował nad niezwykłym obrazem dżetu.

Klaudia Walewska: Dlaczego naukowców tak bardzo ciekawią czarne dziury?

Doktor Maciek Wielgus: Czarne dziury to jest niesłychane laboratorium do testowania różnych teorii fizycznych. To miejsce, w którym skupia się wiele różnych działów fizyki. Przede wszystkim same czarne dziury zachowują się podobnie do bardzo prostych obiektów, takich jak cząstki elementarne, które opisuje się bardzo małą liczbą parametrów. Fizycznie czarne dziury są jednak dużymi obiektami. To jest niezwykłe i mamy nadzieję, że pewnego dnia pozwoli testować hipotezy na temat teorii takich jak mechanika kwantowa czy kombinowanie, jak połączyć mechanikę kwantową z teorią względności.

Powodem naszego zainteresowania jest też wszystko to, co się dzieje dookoła czarnej dziury. Cały ten gaz spadający na czarną dziurę znajduje się w warunkach tak ekstremalnych, których nie jesteśmy w stanie badać na Ziemi, ze względu na ogromną temperaturę i inne bardzo specyficzne warunki. Jesteśmy bardzo zainteresowani tym, jak działa spadający na czarną dziurę zjonizowany gaz - czyli elektrony i protony, które fruwają sobie oddzielnie. Chcemy zrozumieć, jak ta materia zachowuje się w otoczeniu pola magnetycznego i w bardzo silnym polu grawitacyjnym. To wszystko jest razem skombinowane w tej maleńkiej, zwartej przestrzeni dookoła czarnej dziury i to jest po prostu laboratorium, jakiego nie możemy mieć na Ziemi, a bardzo chcemy badać przyrodę w tych warunkach.

Wideo

”Czarne dziury [...] to miejsce, w którym skupia się wiele różnych działów fizyki”

K.W.: Czym w ogóle są czarne dziury i jakie są ich rodzaje?

M.W.: W czarnych dziurach piękne jest to, że ich rodzajów jest bardzo mało. One zachowują się trochę jak cząstki elementarne, które opisuje się tylko kilkoma specjalnymi parametrami. Czarne dziury mają tylko masę i liczbę, która wyraża, jak szybko czarna dziura się kręci. Mogą jeszcze mieć ładunek elektryczny. Ale nic więcej - jedynie te trzy parametry mogą rozróżniać czarne dziury między sobą. Czyli one wszystkie są tak naprawdę bardzo podobne. Na przykład kiedy pomyślimy, jak bardzo wiele liczb możemy podać, opisujących jak jeden człowiek różni się od drugiej osoby, to mamy zdecydowanie więcej niż trzy liczby, parametry, które różnią ludzi między sobą. W przypadku czarnych dziur tak nie jest, różni je bardzo niewiele.

A co to jest właściwie czarna dziura - to jest taki obszar w przestrzeni, albo w teorii względności - nawet i w czasoprzestrzeni - który jest rozdzielony od reszty Wszechświata przez załamanie tego, co nazywamy związkiem przyczynowo-skutkowym. To jest tylko mądrzejsze uzmysłowienie tego, że jeżeli ktoś wpadnie do czarnej dziury, to już nie może poinformować o tym świata zewnętrznego. Wszelki kontakt z taką osobą zginie. I to jest właśnie własność horyzontu zdarzeń. To jest taka powierzchnia w przestrzeni, którą możemy przekroczyć tylko w jedną stronę. I obecność horyzontu zdarzeń to jest taka cecha, która wyróżnia czarne dziury od wszelkich innych obiektów, właśnie to rozłączenie informacyjne między zewnętrznym i wewnętrznym światem.

Wideo

”Czarna dziura to obszar w czasoprzestrzeni, który jest rozdzielony od reszty Wszechświata przez załamanie związku przyczynowo-skutkowego”

K.W.: A czym jest dżet i co wiadomo na temat jego powstawania?

M.W.: Często słyszymy o czarnych dziurach, że one rzeczywiście pochłaniają wszystko. Też właśnie przed chwilą powiedziałem, że jak już się wpadnie, to nie można wypaść. A okazuje się, że czarne dziury mogą też produkować bardzo silną emisję promieniowania i cząstek. Czyli mogą działać trochę jak akcelerator cząstek, taki jak na przykład w CERN [Europejska Organizacja Badań Jądrowych - ośrodek badawczy w Genewie, w którym znajduje się Wielki Zderzacz Hadronów, czyli największy na świecie akcelerator cząstek - przyp. red]. Cząstki przyspieszają do ogromnych energii i ogromnych prędkości. I właśnie to jest dżet - po prostu struga materii, która wypływa z bezpośredniego otoczenia czarnej dziury, ale oczywiście nie spod horyzontu zdarzeń - nic nie może go opuścić, prostopadle do kierunku spadającej materii. Czyli jest dysk gazu, który krąży, spada na czarną dziurę, a prostopadle do niego wystrzeliwuje dżet. I to jest dosyć ekstremalna fizyka, dlatego, że dżet przyspiesza do niesamowitych energii i prędkości, i to jest właśnie ciekawe, że nie rozumiemy tak dobrze, w jaki sposób to dokładnie działa. My się tylko domyślamy i próbujemy przez kolejne obserwacje czy symulacje numeryczne zrozumieć, co się tak naprawdę dzieje. Na razie doszliśmy do tego, że najprawdopodobniej czarna dziura musi się kręcić. Jeśli się kręci, to za pośrednictwem pola magnetycznego można wyciągnąć jej energię związaną z obrotem. I tę energię, związaną z obrotem czarnej dziury, można zaprząc do przyspieszania wystrzeliwanych cząstek. Czyli tak naprawdę, to jest taki trochę naturalny silnik, wykorzystujący rotującą czarną dziurę jako podstawę swojego działania.

Wideo

”Okazuje się, że czarne dziury mogą też produkować bardzo silną emisję promieniowania i cząstek”

K.W.: Dlaczego skupiliście się w swoich badaniach właśnie nad galaktyką Centaurus A?

M.W.: Ta galaktyka jest dla nas szczególna, ponieważ jest najbliższą Drodze Mlecznej tak zwaną galaktyką aktywną. Galaktyka aktywna jest jasna, ma silną emisję i bardzo często tej emisji towarzyszy obecność dżetu. To po prostu najbliższy obiekt tego rodzaju, dlatego łatwiej nam go badać niż te bardziej odległe - ze względu na to, jak dobrze go widzimy, z jakim powiększeniem jesteśmy w stanie zobaczyć szczegóły. Ale galaktyka Centaurus A znajduje się na południowym niebie, a na południowej półkuli mamy mniej teleskopów niż na północy. Z tego względu nigdy dotąd nie zobaczyliśmy tego obiektu z tak dobrą rozdzielczością. Dopiero teraz z Teleskopem Horyzontu Zdarzeń poprawiliśmy rozdzielczość ponad dziesięciokrotnie i mogliśmy zajrzeć do samego centralnego jądra galaktyki, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy.

Wideo

”Dopiero teraz z Teleskopem Horyzontu Zdarzeń [...] mogliśmy zajrzeć do samego centralnego jądra galaktyki, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy”

K.W.: Jak wyglądały te badania?

M.W.: Centrum tego wszystkiego jest nasz Teleskop Horyzontu Zdarzeń [Event Horizon Telescope, EHT - przyp. red.]. To bardzo szczególny teleskop, który powstał przez wirtualne połączenie kilku radioteleskopów, rozmieszczonych na całej planecie. Dzięki technice, która nazywa się interferometrią, możemy zrobić takie niesamowite przejście. Wyobraźmy sobie, że te wszystkie teleskopy stają się częścią jednego gigantycznego teleskopu. To znaczy, że nie średnica tego jednego teleskopu się liczy do rozdzielczości - bo oczywiście im większy teleskop, tym lepiej - ale odległość między teleskopami. W ten sposób zamieniamy Ziemię w wielki talerz radiowy, ale on jest prawie pusty, ma tylko kilka elementów – prawdziwych teleskopów - w których rzeczywiście cokolwiek działa. I to jest nasz instrument. Z jego pomocą możemy bardzo dokładnie, równocześnie, zaobserwować jeden obiekt. Wszystkie te teleskopy w różnych miejscach świata muszą dokładnie, w synchronizowany za pomocą zegarów atomowych sposób, obserwować nasze źródło. A potem następuje kilka lat obróbki danych i próbowania wyciągnięcia z nich właściwej informacji. To jest trudne, bo kalibracja danych jest dosyć dużym wyzwaniem. Dla nas jest szczególnie utrudniona, dlatego, że Teleskop Horyzontu Zdarzeń składa się z teleskopów, które nigdy nie były konstruowane po to, żeby współpracować ze sobą. Każdy z nich jest świetny w tym co robi sam, natomiast nikt nigdy wcześniej nie planował, żeby je połączyć w wirtualny teleskop wielkości planety. Dlatego musimy umożliwić im zrozumienie się nawzajem. Na tej radioteleskopowej wieży Babel musimy pomóc każdemu teleskopowi zrozumieć każdy inny teleskop. To jest mnóstwo pracy.

Jak już mamy dane, które są tak obrobione, skalibrowane, że reprezentują rzeczywiście fizyczny pomiar, wtedy wkraczają algorytmy przetwarzania obrazu. Nasze dane reprezentują tak zwane częstości przestrzenne - to nie jest dokładnie tak jak ze zdjęciem, to raczej tak, jakbyśmy zarejestrowali dosyć słabej jakości hologram. I próbujemy zrekonstruować z pomocą algorytmów numerycznych to, jak wygląda prawdziwy obraz. Jeżeli mamy dostatecznie dużo tych danych, to chociaż one są surowe i dosyć nieprzyjazne, sprytne algorytmy są w stanie wyciągać dość dokładnie to, jak wygląda rzeczywistość. Czyli z tego hologramu dostajemy wreszcie coś, co bardziej przypomina zdjęcie. Następne kroki to interpretacja tego co widzimy, czyli próba wytłumaczenia dlaczego to wygląda często w trochę zaskakujący sposób.

Wideo

”Centrum tego wszystkiego jest nasz Teleskop Horyzontu Zdarzeń”

K.W.: Dlaczego zdjęcia dżetu z tej galaktyki są tak wyjątkowe?

M.W.: Po pierwsze są wyjątkowe dlatego, że znamy dosłownie kilka obiektów, w których zobaczyliśmy tak dokładnie podstawę dżetu. Mamy dostateczną rozdzielczość, żeby zobaczyć, gdzie ten dżet się zaczyna, jak wygląda jego początek. To jest już samo w sobie rzadkością. A szczególnie interesującą rzeczą jest to, że jeśli spojrzymy na ten obraz, on wygląda troszeczkę jak chromosom, czy jak niektórzy mówią - widelec. W każdym razie ma jasne części z zewnątrz i ciemne pomiędzy tymi dwiema liniami. Są takie dwie pary linii - jedna odpowiadająca dżetowi, który strzela mniej więcej w naszym kierunku i druga, która strzela w kierunku przeciwnym. O dżecie można pomyśleć jako o lejku, z którego wypływa materia - i ewidentnie brzegi tego lejka są jasne. Czyli emisja promieniowania następuje na brzegach, a nie w środku. I okazuje się, że to jest dosyć trudne do zrozumienia przez symulacje numeryczne, dlaczego w środku nie jest jasno. Ale próbujemy to zrozumieć.

Mamy różne hipotezy. To się może wiązać ze skomplikowaną, spiralną geometrią pola magnetycznego. Mogą być też inne powody, na przykład bardzo niejednorodna struktura tego całego systemu. W każdym razie próbujemy teraz teoretycznie to dobrze zinterpretować. Co nam pomoże, to kolejne obserwacje z ulepszoną wersją teleskopu, po to, żeby zobaczyć, czy tam w środku rzeczywiście nie ma zupełnie nic, czy jak będziemy mieli większą czułość, to zobaczymy, że pomiędzy tymi widełkami, w środku, też jest troszeczkę jasności. Ale to może nastąpi w przyszłości. Na razie wygląda tak, jakby jasne były tylko brzegi, a środek był zupełnie pusty.

Wideo

”Mamy dostateczną rozdzielczość, żeby zobaczyć gdzie ten dżet się zaczyna, jak wygląda jego początek”

K.W.: Czy podobne zachowania czarnej dziury są możliwe w przypadku czarnej dziury z naszej galaktyki?

M.W.: Tego naukowcy nie wiedzą. Obserwujemy od dłuższego czasu supermasywną czarną dziurę w centrum naszej galaktyki - nazywa się Sagittarius A*. To jest prawdopodobnie czarna dziura, o której wiemy najwięcej ze wszystkich we Wszechświecie. Natomiast to, czy tam jest dżet, czy go nie ma, to jest cały czas kwestia debaty. Dlatego, że nikt nigdy nie widział dżetu w żadnych obserwacjach, które pokazałyby obraz centrum naszej galaktyki. Natomiast z innych powodów, związanych z tym, jak wygląda rozkład jego promieniowania w funkcji energii, jest pewne podejrzenie, że może jest tam słabiutki dżet, tylko jeszcze po prostu do tej pory go nie zobaczyliśmy.

Są różne hipotezy. Dżet może być tak bardzo słabiutki, że potrzebujemy więcej czułości, lepszych instrumentów, wyższych częstości obserwacyjnych, żeby cokolwiek zobaczyć. Być może on pojawia się i znika, bo tak bardzo dynamiczny jest ten układ i on się czasem włączy na chwilę, a zwykle go nie ma. Ale jest też możliwość, że nie widzimy go dlatego, że jest skierowany w naszym kierunku i po prostu w rzucie na ekran, który obserwujemy, on jest zupełnie w naszą stronę - gubi się razem z całym centrum dookoła czarnej dziury. Więc albo go nie ma, albo jest bardzo efemeryczny i chwilowy, albo może jest zupełnie w naszym kierunku. Jest nadzieja, że Teleskop Horyzontu Zdarzeń, mając lepszą rozdzielczość niż jakikolwiek inny instrument do tej pory, byłby w stanie zobaczyć taki dżet, na przykład w tym ostatnim przypadku - gdyby był skierowany pod bardzo małym kątem w naszą stronę. Pracujemy bardzo intensywnie nad naszymi obserwacjami Sagittariusa A* z wykorzystaniem EHT, żeby opublikować wyniki dotyczące centrum naszej galaktyki. Ta praca musi niestety jeszcze dojrzeć i to chwilę potrwa, ale mamy nadzieję, że nie więcej niż rok.

Wideo

”Nikt nigdy nie widział dżetu w żadnych obserwacjach, które pokazałyby obraz centrum naszej galaktyki”