Pred viac ako 45 rokmi ju vytvoril francúzsky astrofyzik Jean-Pierre Luminet. Pri jej tvorbe použil jednoduchý počítač, matematiku a indický tuš.
Vizualizácia zobrazuje čiernu dieru strednej hmotnosti, ako svojou gravitačnou silou trhá hviezdu. Hmota hviezdy vytvára v okolí čiernej diery akrečný disk. Zdroj: NASA
Pred čiernobielym veľkorozmerným obrazom stojí mladý muž v hnedom tvídovom saku s kravatou. V rukách drží kriedu a papier s poznámkami. Hľadí do objektívu a nad dvihnutým obočím sa mu vlasy stáčajú do tmavohnedých kučier.
V čase, keď fotografia vznikla, nemal Jean-Pierre Luminet ani tridsať rokov. Dnes je známym astrofyzikom, popularizátorom vedy, spisovateľom a dokonca aj básnikom. Do povedomia širšej verejnosti sa zapísal ako muž, ktorý vytvoril prvú kresbu čiernej diery.
Zaujímavosťou je, že medzi jeho kresbou (publikovanou v Astronomy & Astrophysics, 1979) a fotografiou jej tieňa (po prvýkrát zverejnenou v roku 2019) uplynulo 40 rokov.
Úsilie zobraziť neviditeľné
Snahy o zobrazenie čiernej diery odštartovali podľa Lumineta v roku 1972 vo Francúzsku. Svoju cestu k obrázku z atramentových bodiek, inšpiračné zdroje, ako aj pozadie formovania predstáv o záhadnom exotickom vesmírnom objekte podrobne opisuje v sérii článkov na svojom blogu.
Luminet v ňom okrem iného poodhaľuje spletité zákulisie obdobia, keď sa vyvinuli základy astrofyziky čiernych dier. Od tohto momentu sa vedci začali pýtať, ako by mohli vyzerať. V sérii článkov s názvom: 40 rokov zobrazovania čiernych dier (40 Years of Black Hole Imaging) podáva bohatú výpoveď o snahách a úsilí zobraziť dovtedy nezobraziteľné.
Jean-Pierre Luminet (1951) je francúzsky astrofyzik, ktorý sa zameriava na kozmológiu a výskum čiernych dier. Zdroj: Wikipedia
Pozrite si
Prvá kresba čiernej diery
Začiatkom sedemdesiatych rokov začalo vedcov zaujímať, ako vyzerá extrémne hmotný objekt, ktorý dokáže deformovať štruktúru časopriestoru. Dôvodom bolo, že v tom období sa začali utvárať základy astrofyziky čiernych dier a vedci chceli mať oveľa lepšiu predstavu o hlavnom predmete ich bádania.
Guľa, ktorá pláva priestorom, síce pomáhala laickej verejnosti v hrubých kontúrach pochopiť exotický objekt, ale nezodpovedala astrofyzikálnym kritériám. Do tohto zobrazenia sa ani podľa slovenského astrofyzika Romana Nagya nepremietali efekty, ktoré extrémne hmotný objekt spôsobuje svojmu okoliu. Nereflektovalo napríklad silné gravitačné pole, ktoré zakrivuje svetlo v blízkosti čiernej diery.
„Prvé pokusy o vizualizáciu čiernej diery sú pevne spojené s prvými pokusmi o jej matematický opis,“ vysvetlil Nagy. „Nejde o vizualizáciu, ako si ju predstavujeme dnes, ale skôr o schematické zjednodušené načrtnutie časopriestoru a akým spôsobom ovplyvňuje svoje okolie.“
Jeden z prvých veľmi hrubých náčrtov vytvorili americký fyzik James Maxwell Bardeen a C. T. Cunningham. Zobrazili, ako by sa pohyboval bodový svetelný zdroj po kruhovej dráhe okolo takzvanej Kerrovej čiernej diery z pohľadu vzdialeného pozorovateľa.
Bardeen zistil, že by tieň čiernej diery mal tvar písmena D. Ak by sa pozorovateľ nachádzal pred ňou, tieň sa vydúva na strane, ktorá smeruje od pozorovateľa a stláča dovnútra; naopak sa zase splošťuje na strane smerujúcej k pozorovateľovi. O rok neskôr vytvorili oveľa komplexnejší model.
Prvá kresba čiernej diery. Jean-Pierre Luminet ju vytvoril pomocou čierneho atramentu v roku 1978. Zdroj: Wikipedia
Fáza pred kresbou
Predpolie pre Luminetovo zobrazenie čiernej diery vytvorila v roku 1978 aj trojica fyzikov: Leigh H. Palmer, Maurice H. L. Pryce a William G. Unruh. Tí simulovali pohyb svetla hviezdy z pohľadu kamery, pohybujúcej sa okolo čiernej diery. Vizualizácia im slúžila na pedagogické účely, ibaže sa z tohto obdobia nezachoval žiadny obrazový materiál.
Približne v rovnakom období začal Luminet na francúzskom observatóriu v Meudone skúmať, ako by mohol vyzerať Schwarzschildov aspekt čiernej diery na jej akrečný disk – teda ako by vyzeral svetelný materiál, ktorý vzniká v okolí čiernych dier s hmotnosťou prevyšujúcou niekoľko hmotností Slnka.
Luminet si predsavzal, že skôr, ako by zadal zložité výpočty do počítačového programu, vytvorí vizuálny model predpokladaného výsledku. Zamýšľal sa najprv nad tým, ako môžu vyzerať deformácie akrečného disku a usúdil, že musia byť ohromujúce.
„V bežnej situácii, teda v euklidovskom priestore, je zakrivenie slabé. To je aj prípad slnečnej sústavy, keď pozorujeme planétu Saturn, obklopenú jej nádhernými prstencami. Časť z nich je skrytá za planétou, ale ich eliptické obrysy sa dajú mentálne pomerne ľahko zrekonštruovať. Okolo čiernej diery sa však všetko správa inak,“ uviedol na svojom blogu Luminet.
Keď vidieť dolnú i hornú stranu súčasne
Ak by sme si akrečný disk čiernej diery predstavili ako platňu, vzdialený pozorovateľ vidí nielen jej vrchnú časť, ale deformácie svetla spôsobia, že pozoruje aj spodnú časť. Luminet to vysvetľuje tým, že svetelné lúče, ktoré sa zvyčajne šíria smerom nadol, v smere opačnom ako smer pozorovateľa, stúpajú späť na vrchol a poskytujú vysoko deformovaný obraz spodnej časti.
Prstenec, ktorý sa vytvára okolo čiernej diery, nazval black hole glory a odkazoval tak na veľmi zriedkavý a vizuálne atraktívny optický jav – na takzvané vidmo. V prírode ho môžeme zazrieť ako dúhový prstenec okolo hlavy pozorovateľa. Vzniká, ak sa človek nachádza medzi Slnkom, ktoré je nízko na horizonte, a hmlou alebo oblačnosťou pred ním ako plátnom, na ktoré sa premieta jeho tieň.
Dierne štítky a indický tuš
K matematickým výpočtom použil Luminet počítač IBM 7040 so vstupmi na dierne štítky. Pomocou neho generoval línie, ktoré potom previedol v kresliacom programe do svetelných kriviek tvoriacich akrečný disk čiernej diery. Musel vziať do úvahy to, že efekt gravitačného šošovkovania vytvára nekonečné množstvo obrazov disku. To znamená, že kým svetelné lúče uniknú z gravitačného pôsobenia čiernej diery, obehnú ju mnohokrát.
V ďalšom kroku musel francúzsky astrofyzik zohľadniť fyzikálne vlastnosti plynného materiálu, ako napríklad jeho rotáciu, teplotu či intenzitu žiarenia.
Na výsledný obraz aplikoval aj dva efekty: Einsteinov a Dopplerov jav. Luminet vysvetlil, že pri známejšom Dopplerovom jave sa „oblasti disku najbližšie k čiernej diere otáčajú rýchlosťou blížiacou sa rýchlosti svetla, takže Dopplerov posun je značný a drasticky mení obraz, ako ho vidí vzdialený pozorovateľ“.
Luminet tieto poznatky musel najprv vypočítať pre každú krivku a uplatniť doslova v každej bodke svojej kresby.
Francúzsky astrofyzik Jean-Pierre Luminet pred prvou kresbou čiernej diery. Zdroj: blogs.futura-sciences.com
Máme výsledok!
Keďže v tom období nemal Luminet k dispozícii vhodný kresliaci program, dostal nápad vytvoriť výsledný obraz manuálne. Astrofyzik k tomu použil pauzovací papier značky Canson a indický tuš, ktorý sa v Indii získava zo spálených kostí, z dechtu a zo smoly.
V miestach, kde mal byť obraz svetlejší, umiestňoval bodky hustejšie vedľa seba. Sám autor píše, že išlo o dosť namáhavý proces. „Potom som vzal negatív svojho negatívu, aby som získal pozitív, pričom čierne body sa stali bielymi a biele pozadie čiernym.“
Luminetov obrázok bol po prvýkrát publikovaný pred 47 rokmi v článku o čiernych dierach v roku 1978 (B. Carter & J.-P. Luminet, Les Trous Noirs, Maelströms cosmiques, La Recherche, 1978). V porovnaní s dnešnou výpočtovou technikou použil primitívne stroje, aby simuloval trajektóriu svetelných lúčov, ktorú vyžiarila hmota padajúca do čiernej diery.
„Je pozoruhodné, ako realisticky znázornil Luminet správanie svetla v okolí čiernej diery. Na to, aby dospel k svojej kresbe, musel vyriešiť relativistické rovnice riadiace správanie svetla v jej okolí,“ vysvetlil Nagy.
Čierna diera vo farbách
O desať rokov neskôr, po prvom publikovaní obrázka, sa Luminet stretol na medzinárodnej konferencii v japonskom Tokiu s dvomi vedcami. Tí vzali jeho čiernobiely obraz a pridali doň farby. Vzišla z toho vizualizácia, ktorá zohľadňovala aj zmenu vlnových dĺžok v akrečnom disku, ako kontrastný farebný posun z modrej do červenej farby.
„Ak si porovnáme jeho kresbu s najnovšími pozorovaniami čiernych dier pomocou Event Horizon Telescope (EHT), vidíme veľkú podobnosť, čo dokazuje vysokú vernosť Luminetovej kresby. Vidíme, že okolie čiernej diery nežiari symetricky, ale jedna strana je jasnejšia. To je dôsledok relativistických efektov, prítomných pri rotácii čiernej diery. Tento jav môžeme pozorovať na pozorovaniach EHT, ako aj na kresbe od Lumineta,“ dodal Nagy.
Francúzsky astrofyzik uvádza, že obraz čiernej diery mu okrem pozornosti vedeckej obce priniesol aj vtipné situácie. Niektorí čitatelia sa nazdávali, že meno Luminet nie je skutočné meno autora, ale iba jeho pseudonym, ktorý vyjadruje vlastnosť žiariacej hmoty okolo čiernej diery.
Farebný obrázok publikoval až v roku 2006 vo svojej knihe Le destin de l’univers.
Umelecké znázornenie rýchlo rotujúcej supermasívnej čiernej diery. Zdroj: ESA
Astrofyzik Roman Nagy o čiernych dierach: Z hypotetických objektov sa stali realistické
Prečo sa vedci snažili čiernu dieru zobraziť? Nepostačoval im teoretický opis a rovnice?
Časopriestor v okolí čiernej diery je výrazne deformovaný. To nám hovorí aj samotná matematika schovaná za všeobecnou teóriou relativity. S najúspešnejším schematickým opisom čiernej diery, používaným dodnes, prišiel Roger Penrose a nesie aj jeho meno – Penrosov diagram. No na obrazovú vizualizáciu sme si museli počkať až do príchodu počítačov a superpočítačov, ktoré zvládli riešiť náročné rovnice všeobecnej teórie relativity. To nám umožnilo vypočítať, ako sa správa svetlo v blízkosti horizontu udalostí a čo sa deje s plynom, ktorý postupne padá do čiernej diery, pričom sa zahrieva a vyžaruje fotóny. Tieto numerické výpočty, vedúce aj ku kresbe Jeana-Pierra Lumineta, ukázali pozoruhodné relativistické efekty, ktoré v okolí čiernych dier panujú.
Kto ako prvý predniesol predstavu čiernej diery ako telesa takého hmotného, že deformuje samotný časopriestor?
Ak opomenieme dávnejšie predstavy dokonale tmavých objektov – tmavé hviezdy – Johna Michella z konca 18. storočia, počiatky toho, čo dnes nazývame čiernymi dierami, datujeme niekoľko mesiacov po publikovaní Einsteinovej všeobecnej teórie relativity.
V roku 1916 prišiel Karl Schwarzschild s riešením Einsteinových rovníc, ktoré položilo základy modernému chápaniu čiernych dier. Toto riešenie opisuje priestor okolo objektu, ktorý extrémne deformuje časopriestor natoľko, že z jeho okolia neunikne ani svetlo. Túto oblasť časopriestoru ohraničuje horizont udalostí, ktorého rozmer je určený Schwarzschildovým polomerom.
Vyzerá to tak, že z predstáv, ktoré predtým vyvolávali skôr úsmev, sa stávajú objekty seriózneho vedeckého záujmu.
Čierne diery vedecká komunita dlhé roky považovala za hypotetické konštrukty, ktoré sa v prírode vyskytovať nebudú. Predpokladalo sa, že musí existovať mechanizmus, ktorý by zabránil kolabujúcej hmote, aby vytvorila čiernu dieru. Otáčať sa to začína v štyridsiatych až šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Oppenheimer so svojím študentom Snyderom vo svojej práci z roku 1939 ukázal, že hmota môže skolabovať a vytvoriť čiernu dieru.
V roku 1965 Roger Penrose dokázal, že aj skutočné hviezdy sa môžu zrútiť do čiernej diery. Z hypotetických objektov sa stávajú realistické objekty, pútajúce veľkú vedeckú pozornosť.
Na čo sa zameriava výskum čiernych dier?
Výskum nielen čiernych dier sa dá rozdeliť na teoretický a experimentálny. Dlho nepredstaviteľná vec, akou pozorovanie čiernych dier je, sa postupne stáva vedeckým štandardom. Či už priame fotografovanie superhmotných čiernych dier v centrách galaxií pomocou Event Horizon Telescope, alebo detegovanie gravitačných vĺn generovaných zrážkami menších čiernych dier. Pozorovania ukazujú výnimočnú zhodu s predpoveďami všeobecnej teórie relativity. Toho sa bude pravdepodobne držať aj ďalší teoretický výskum čiernych dier.
Dokážeme niekedy zmapovať, ako to vyzerá vnútri čiernej diery?
Okolie čiernej diery veľmi dobre opísala teória relativity. Problém nastáva vnútri čiernej diery, keď sa blížime k nekonečne malému bodu s nekonečnou hustotou – singularite. Okrem relativity, ktorá opisuje gravitáciu, musíme uvážiť aj kvantovú teóriu, ktorá riadi správanie vesmíru na najmenších vzdialenostiach. A tam sa dostávame k veľkej otvorenej otázke. Na úspešný opis vnútra čiernej diery v blízkosti singularity potrebujeme kvantovú teóriu gravitácie. Práve k nej smeruje veľké úsilie teoretických fyzikov. Ak sa túto teóriu podarí úspešne formulovať, výrazne nás to priblíži k pochopeniu vnútra čiernej diery.
(zh)
