Vedcom sa to podarilo vďaka unikátnej globálne prepojenej siete ôsmich rádioteleskopov. Ide o doteraz najrelevantnejší dôkaz ich existencie.
Prvá snímka okolia čiernej diery, ktorú vedci získali pozorovaním centra galaxie M87 v súhvezdí Panna. Zdroj: EHT
Je streda 10. apríla 2019. V budove Európskej komisie Berlaymont v belgickom Bruseli sa začína tlačová konferencia. Úvodná rečníčka informuje auditórium, že na šiestich miestach na svete práve simultánne odštartovali ďalšie tlačové besedy. Verejnosti chcú oznámiť pozoruhodný úspech.
„Videli sme to, o čom sme si mysleli, že nie je možné vidieť. Videli sme a odfotografovali sme čiernu dieru. Tu je,“ oznamuje nadšene na jednej z konferencií americký astrofyzik Sheperd Doeleman.
Na veľkoplošnej obrazovke za ním sa vzápätí objaví oranžovožltý objekt v tvare prstenca na tmavom pozadí. Ide o historicky prvú reálnu snímku čiernej diery.
Žeravá americká šiška
Prelomový úspech oznámili odborníci s ohľadom na laickú verejnosť v zjednodušenom znení. Nie je celkom presné nazvať snímku fotografiou čiernej diery. Exotický vesmírny objekt, ktorého existenciu predpovedal v roku 1915 Albert Einstein vo všeobecnej teórii relativity, nemôžeme priamo odfotografovať.
Slovenský astrofyzik Roman Nagy z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave pre portál Veda na dosah objasnil, čo sa na snímke z roku 2019 nachádza a či môžeme pozorovať aj neviditeľný objekt.
„Odpoveď je, že nemôžeme. Môžeme pozorovať to, ako čierna diera interaguje so svojím okolím. Keď nabaľuje hmotu zo svojho okolia, hmota sa zahrieva a žiari. Na snímkach pozorujeme práve žiarenie okolitej hmoty. Správne by sme teda mali hovoriť, že nefotografujeme čiernu dieru, ale jej siluetu.“
Samotnú čiernu dieru, ktorá vznikla kolapsom veľmi hmotnej hviezdy na sklonku jej života, nevidíme. Žiarenie pochádza z materiálu, ktorý okolo nej rotuje rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla a vytvára rozžeravený prstenec, takzvaný akrečný disk.
Trenie a magnetické sily spôsobujú, že sa častice v okolí čiernej diery zahrievajú na stovky miliárd stupňov. Výsledkom je žeravá plazma, ktorá emituje svetlo a rádiové vlny. Práve tie zohrali dôležitú úlohu pri generovaní výslednej snímky.
Záber na galaxiu M87. Výseky zachytávajú detail dvoch výtryskov vyžarujúcich z masívnej čiernej diery (detail hore) a siluetu čiernej diery v centre galaxie (detail dole.) Zdroj: NASA
V útrobách galaxie
Čierna diera, ktorá pred piatimi rokmi uchvátila odborníkov, no i laickú verejnosť, leží v strede masívnej galaxie s označením Messier 87 (skrátene M87). Ide o najaktívnejšiu a najjasnejšiu z galaxií, ktoré tvoria kopu galaxií v súhvezdí Panna. Aj to je jeden z dôvodov, prečo si ju vedci v roku 2017 vybrali za cieľ a namierili na ňu niekoľko pozemných teleskopov.
Čierne diery sú výstredné astronomické objekty. I napriek masívnej hmotnosti tvoria relatívne kompaktné teleso.
Čierna diera v strede M87 dosahuje 6,5 miliardy ráz väčšiu hmotnosť než naše Slnko. Svojou intenzívnou gravitáciou ohýba časopriestor, a tým aj svetelné lúče a niektoré z nich smerujú i k nám na Zem. Práve tie deteguje sieť pozorovacích zariadení rozmiestnených po celej planéte pod názvom Event Horizon Telescope (EHT).
Nové výzvy, nové riešenia
Zverejnenie snímky čiernej diery pred piatimi rokmi bolo pozoruhodné hneď z niekoľkých dôvodov – nielen iba pre vizuálny obsah, ale aj pre spôsob pozorovania a použité technológie.
Tím približne 200 vedcov a odborníkov musel vyriešiť napríklad dilemu, ako nasnímať objekt, ktorý je od Zeme vzdialený 55 miliónov svetelných rokov. Hoci má centrálna tmavá časť čiernej diery (nazývaná aj tieň) približne veľkosť našej slnečnej sústavy, v astronomickom meradle je to pomerne málo a pri pozorovaní zo Zeme tvorí len nepatrný výsek oblohy.
„Vyriešiť tento problém je ako snažiť sa zo Zeme čítať noviny vo vzdialenosti 5000 kilometrov,“ vysvetlila americká inžinierka a členka tímu EHT Katherine L. Boumanová.
Ďalší problematický bod tvoria mraky plynu a prachu, ktoré obklopujú jadrá galaxií. Pre pozorovania vo viditeľnom svetle alebo vo veľmi dlhých vlnových dĺžkach sa stávajú nepreniknuteľnou bariérou.
Vedci sa preto rozhodli sledovať exotický objekt v rádiovom spektre a zvolili si vlnovú dĺžku 1,3 milimetra. Rádiové vlny v týchto dĺžkach prechádzajú plynnou obálkou pomerne hladko.
Teleskop s rozmermi planéty
Pozemná anténa, ktorá by rozlíšila čiernu dieru v galaxii M87, by musela mať priemer paraboly 13 000 kilometrov. Postaviť od základov stavbu megalomanských rozmerov je nepredstaviteľné, inžinieri ale využili už existujúcu pozorovaciu infraštruktúru a vytvorili virtuálny teleskop.
Išlo o kombináciu ôsmich najcitlivejších rádioteleskopov rozmiestnených na rozličných miestach na planéte.
„Takýto prístup je technicky veľmi náročný, pretože potrebujeme zvládať nepredstaviteľne veľké dátové toky, zároveň synchronizáciu zariadení rozmiestnených po celej planéte. Ide o technické výzvy, ktoré sa po prvýkrát podarilo prekonať až ku koncu minulého desaťročia,“ uviedol Nagy.
Pohľad na systém antén ALMA. Na zábere je vidieť tzv. zodiakálne svetlo. Zdroj: ESO
Celoplanetárny teleskop
Globálna sieť teleskopov zahŕňala zariadenia na rozličných miestach planéty od vysokohorských v Čile a Amerike až po teleskop v Španielsku a na južnom póle. Ide o tieto zariadenia: sústava 66 teleskopov ALMA (Atacama Large Millimeter Array) a APEX (Atacama Pathfinder Experiment) z agentúry ESO v Čile; SMT (Submillimeter Telescope) v Arizone, SMA (Submillimeter Array) a JCMT (James Clerk Maxwell Telescope) na Havaji; IRAM 30m telescope (Institute for Radio Astronomy in the Millimetre Range) v španielskom pohorí Sierra Nevada, LMT (Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano) na mexickej sopke Sierra Negra a ďalekohľad na južnom póle South Pole Telescope.
Základ úspešného pozorovania viacerými teleskopmi súčasne vedcom zabezpečila metóda takzvanej interferometrie s veľmi dlhou základňou (VLBI – Very Long Baseline Interferometry).
Dôležité je pri nej zozbierať údaje z toho istého „balíka“ rádiových vĺn, ktoré na Zem prichádzajú v rozličných časoch a na rôzne miesta. Každému teleskopu boli preto pridelené aj atómové hodiny. Vedci museli potom jednotlivé merania označiť „časovou pečaťou“, presne ich skombinovať, vyextrahovať z nich signály a premeniť na obraz.
Unikátny algoritmus vyvinula študentka
Bezprecedentnú výzvu predstavovalo tiež obrovské množstvo získaných dát. Tvorilo ich dokopy pol tony pevných diskov. Pracovné tímy sa preto rozhodli neposielať ich po sieti, doručili ich doslova fyzicky.
Petabajty (jednotka kapacity pamäťových médií) údajov spracovávali dva vysokošpecializované superpočítače v nemeckom Ústave Maxa Plancka a na Haystack Observatory neďaleko amerického Bostonu.
Dáta bolo treba vzájomne skombinovať, odfiltrovať šumy, upraviť deformácie rádiových signálov, ktoré vznikajú pri prechode zemskou atmosféru, a synchronizovať údaje všetkých teleskopov. Významnú úlohu pri tom zohral nový algoritmus, ktorý počas štúdia na Massachusetts Institute of Technology (MIT) navrhla informatička Katherine L. Boumanová.
Na snímke je zobrazené umiestnenie teleskopov projektu EHT, ako aj znázornenie základných línií medzi nimi (metóda VLBI). Zdroj: ESO
Zásadná skúška správnosti
Jedným z dôležitých krokov, ktorý zaistil, že výsledný obraz nebude dielom náhody alebo technickej chyby, bolo vytvorenie štyroch samostatných pracovných skupín. V roku 2018 pracovali počas siedmich týždňov úplne izolovane, bez akéhokoľvek vzájomného kontaktu.
Dva tímy používali algoritmus CLEAN, ktorý štandardne prislúcha metóde VLBI. Ďalšie dva tímy zase pracovali s Boumanovej algoritmom, ktorý vopred vymodeloval obraz čiernej diery a postupným pridávaní reálnych dát ho upravoval.
Boumanová vo svojom článku spomína, že koncom júla 2018 sa približne štyridsaťčlenná skupina stretla v konferenčnej miestnosti v Cambridgei. Každý tím umiestnil na tabuľu svoje najlepšie snímky. Zaznel búrlivý potlesk. Všetky štyri žeravé americké šišky vyzerali približne rovnako: boli asymetrické a výrazne svetlejšie v spodnej časti.
Prvá snímka okolia čiernej diery sa stala veľmi skoro námetom rôznych internetových mém, vtipov aj darčekových predmetov. V súčasnosti sa nachádza v zbierke Múzea moderného umenia v New Yorku.
Po piatich rokoch
Od roku 2019 vedci zverejnili dve snímky čiernych dier. V poradí druhú fotografiu predstavili v máji 2022. Zobrazuje supermasívnu čiernu dieru s označením Sagittarius A (Sgr A*), ktorá sa nachádza 27 000 svetelných rokov od Zeme v strede našej galaxie Mliečna cesta.
Zaujímavosťou je, že odborníci ju sledovali už v roku 2017 spoločne s čiernou dierou v galaxii M87. Hoci je v priemere menšia, zber dát bol zdĺhavejší a náročnejší.
Materiál rotujúci okolo horizontu udalostí sa pohybuje veľkou rýchlosťou. Žeravá plazma napríklad obehne M87 za niekoľko dní, okolo čiernej diery Sgr A* to stihne za pár minút. Vedci preto potrebovali na zber a vyhodnotenie dát oveľa dlhší čas.
Koncom marca 2024 odhalili astronómovia z EHT ďalšie zábery čiernych diery. Tentoraz sa na obe pozreli v inom svetle – polarizovanom. Svoje výsledky zverejnili v poprednom časopise The Astrophysical Journal Letters. Viac sa o téme dočítate aj v článku: Astronómovia odhalili silné magnetické pole víriace na okraji čiernej diery – VEDA NA DOSAH (cvtisr.sk).
Prvé dve snímky čiernych dier. Vľavo je čierna diera v strede galaxie M87. Vpravo je čierna diera v strede našej galaxie Mliečna cesta. Zdroj: ESO
Einstein by bol nadšený
Prvá snímka čiernej diery z roku 2019 je fascinujúca nielen vizuálne, ale aj odkazom na fyziku, ktorá za ňou stojí. Vedecká komunita považuje za prelomový úspech tiež fakt, že fotografia je v súlade s Einsteinovými predikciami, hoci im známy fyzik príliš neveril.
„Ide o testovanie teórie gravitácie v tých najextrémnejších podmienkach, aké si vieme predstaviť. A všeobecná teória relativity v tejto skúške obstála na jednotku,“ vysvetlil slovenský astrofyzik Roman Nagy.
Do roku 2019 mohli vedci pozorovať iba nepriame dôkazy existencie čiernych dier, najmä ako pôsobia na svoje okolie. Americká astrofyzička Andrea Ghezová, ktorá v roku 2020 získala Nobelovu cenu za fyziku spoločne s Rogerom Penrosom a Reinhardom Genzelom, sa zaoberala výskumom pohybu hviezd v blízkosti stredu našej Galaxie.
Záujem o tieto výstredné objekty neutícha a podľa viacerých odborníkov sa začína nová éra výskumu všeobecnej teórie relativity a čiernych dier, ktorý sme doteraz nerobili.
„Čím dlhšie bude EHT fungovať, tým budeme mať pokryté dlhšie rady pozorovaní, a tak môžeme sledovať v priamom prenose, ako sa čierne diery menia, ako sa mení ich okolie. To je vec, o ktorej sme len pár rokov dozadu nemohli ani snívať,“ uzatvoril Nagy.
Zdroje: EHT, ESO, Quark, Spectrum
(JM)
