Dobili prve posnetke črnih lukenj in okolice

Črne luknje že desetletja niso zgolj teoretično koncept, temveč dobro podkrepljeno fizikalno dejstvo. Dovolj veliki skupki mase, ki se zaradi gravitacijskega privlaka sesedejo do tolikšne gostote, da jim niti svetloba ne more uiti (ubežna hitrost je višja od hitrosti svetlobe), se imenujejo črne luknje preprosto zato, ker so tako videti. Od koder ne more niti svetloba, je pač črno.

Včeraj smo dobili prvo fotografijo črne luknje oziroma najbližji približek tega (znanstvena objava). Dogajanja za dogodkovnih horizontom, torej za mejo, od koder niti svetloba ne more pobegniti, seveda ne moremo fotografirati. Lahko pa fotografiramo dogajanje v okolici, ki je prav tako spektakularno. Nekatere črne luknje so bolj umirjene, zlasti velike pa so pogosto divje pošasti, ki nebrzdano srkajo vase okoliško snov. Ta se zaradi tega vrtinči in segreva, hkrati pa tudi oddaja precej svetlobe. To lahko posnamemo, rezultati pa so še posebej zanimivi, ker je v okolici črnih lukenj zaradi gravitacije prostor-čas popačen. Svetloba se giblje po močno ukrivljenih tirnicah, tako da lahko pokukamo celo za črno luknjo. Ko govorimo o fotografijah črnih lukenj imajo ljudje večinoma v mislih fantastične posnetke, ki smo jih gledali v filmi Medzvezdje. Ti v resnici niso daleč od resničnosti, saj je pri produkciji sodelovalo veliko fizikov, ki so projektu posvetili ogromno računskih ur. Realni posnetke črnih lukenj pa so seveda bistveno manj ostri.

Kolaboracija Event Horizon Telescope je dve črni luknji posnela že leta 2017, a so do danes obdelovali podatke. Gre za črni luknji v središču Rimske ceste (ta nam je najbližja, a je sorazmerno majhna, saj ima maso 4,1 milijona Sončevih mas) in v galaksiji M87. Slednja je bistveno dlje, a tehta nekaj milijard Sončevih mas. To pomeni, da sta oba posnetka približno enako dobra. Ker sta črni luknji z Zemlje videti zelo majhni - zgolj nekaj kotnih mikrosekund - potrebujemo velikanske teleskope. Ker ne moremo izdelati teleskopa v velikosti Zemlje, ga lahko simuliramo. V kolaboraciji so sodelovali različni teleskopi iz Evrope, Severne in Južne Amerike ter Antarktike, ki so istočasno snemali nebo. Rezultat so bili petabajti podatkov (teleskopi so snemali s 16 Gb/s), ki jih sploh niso mogli pretočiti prek interneta, temveč so jih shranili na diske in fizično poslali v superračunalnik v Bonnu v Nemčiji. Tam so rezultate obdelovali dve leti, sedaj pa je pred nami rezultat. To sta prvi fotografiji črnih lukenj.

Na fotografiji, ki je torej izračunana iz kopice podatkov, od koder je odstranjen šum, vidimo akrecijski disk. To je kopica snovi, ki kroži okrog črne luknje in jo ta počasi požira. Razdalja od središča črne luknje do dogodkovnega horizonta se imenuje Schwarzschildov polmer in predstavlja mejo med zunanjosti in črno luknjo. Kar je za to mejo, ne more nikoli več uiti. Vsaka črna luknja pa ima tudi najbližjo stabilno orbito, ki je za nevrteče črne luknje trikrat dlje kot Schwarzschildov polmer, sicer pa lahko tudi bliže. Svetloba, ker nima mase, lahko kroži bliže, in sicer na razdalji 1,5-kratnika Schwarzschildovega polmera. Če bi bili tam, bi se zaradi ukrivljene poti svetlobe videli v hrbet! Ker pa je to nestabilna orbita, ta svetloba prej ali slej pobegne ali pade v črno luknjo. Tisto, ki pobegne, lahko vidimo.

V resnici torej vidimo senco, ki je približno 2,6-krat večjega polmera od Schwarzschildovega polmera. Svetloba, ki prihaja pravokotno na akrecijski disk, se namreč tako ukrivi, da se približa na manj kot 1,5-kratnik, zato se ne vrne. Senca, ki jo vidimo, ima torej premer 2,6-kratnik Schwarzschildovega polmera in ustreza celotni površini črne luknje (z več ponovitvami). Če ne bi bila črna, bi videli tudi njen zadnji del, Ker črne luknje ukrivljajo prostor-čas, vidimo zelo popačeno sliko tudi okoliške snovi. To je v resnici dobrodošlo, saj vidimo tudi zadnjo stran akrecijskega diska. Svetloba, ki izhaja na zadnji strani in je usmerjena proč od nas, se namreč zaradi gravitacije ukrivi in na koncu potuje proti našim teleskopom. Rezultat je fotografija, na kateri je del akrecijskega diska svetlejši, ker se tisti del giblje proti nam, del pa temnejši.