Dalekohledy/soustavy dalekohledů přidružené k Event Horizon Telescope zamířily na Messier 87. Takto vypadá supermasivní černá díra a horizont událostí je jasně viditelný. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Rozmanitost není jen kořením života, ale přirozeným důsledkem života v našem vesmíru. Gravitace, která se řídí stejnými univerzálními zákony na všech měřítkách, vytváří shluky a shluky hmoty v obrovské sadě kombinací, od řídkých oblaků plynu až po masivní hvězdy, které se skládají do galaxií, hvězdokup a velké vesmírné sítě.

Z naší perspektivy na Zemi je toho k pozorování obrovské množství. Nemůžeme však vidět všechno. Když nejhmotnější hvězdy zemřou, z jejich těl se stanou černé díry. Při tak velkém množství hmoty v tak malém objemu prostoru se nic – žádné signály jakéhokoli typu – nemůže dostat ven. Můžeme detekovat hmotu a světlo vyzařované v okolí těchto černých děr, ale uvnitř horizontu událostí nic neunikne. V neuvěřitelném úspěchu vědy se nám právě podařilo poprvé úspěšně zobrazit horizont událostí. Zde je popis toho, co jsme viděli, jak jsme to udělali a co jsme se dozvěděli.

ten v centru galaxie M87 je asi 1000krát větší než černá díra Mléčné dráhy, ale je více než 2000krát vzdálenější. Relativistický jet vycházející z jejího centrálního jádra je jedním z největších a nejvíce kolimovaných, jaké kdy byly pozorovány. Jedná se o galaxii, která nám ukazuje vůbec první horizont událostí. ESA/Hubble a NASA

Co jsme viděli? To, co uvidíte, závisí na tom, kam se díváte a jakým způsobem provádíte pozorování. Pokud jsme chtěli vidět horizont událostí, bylo nejlepší podívat se na černou díru, která by se z našeho pohledu na Zemi jevila jako největší. To znamená, že musí mít největší poměr skutečné, fyzické velikosti ke své vzdálenosti od nás. Ačkoli se v naší galaxii může nacházet až miliarda černých děr, ta zdaleka nejhmotnější, o které víme, se nachází přibližně 25 000 světelných let daleko: ve středu galaxie Mléčná dráha.

Jedná se o největší černou díru z hlediska úhlové velikosti horizontu událostí viditelnou ze Země, jejíž hmotnost se odhaduje na 4 miliony Sluncí. Druhá největší je mnohem vzdálenější, ale mnohem, mnohem větší: černá díra v centru M87. Tato černá díra je vzdálená odhadem 60 milionů světelných let, ale její hmotnost se odhaduje na 6,6 miliardy Sluncí.

siluety na pozadí rádiového záření zpoza ní odhaluje Event Horizon Telescope v galaxii vzdálené asi 60 milionů světelných let. Hmotnost černé díry v centru galaxie M87, jak ji rekonstruoval dalekohled Event Horizon Telescope, se ukázala být 6,5 miliardy hmotností Slunce. Spolupráce na Event Horizon Telescope et al.

Dalekohled Event Horizon Telescope se pokusil zobrazit horizonty událostí obou z nich se smíšenými výsledky. U černé díry v centru Mléčné dráhy – známé jako Sagittarius A* -, jejíž velikost se původně odhadovala na o něco větší než u jejího protějšku M87, se zatím nepodařilo její horizont událostí zobrazit. Při pozorování vesmíru nedostanete vždy to, co očekáváte; někdy dostanete to, co vám dává. Místo toho se jako první objevila černá díra M87, která měla mnohem jasnější a čistší signál.

To, co jsme objevili, je velkolepé. Ty tmavé pixely uprostřed snímku jsou ve skutečnosti silueta samotného horizontu událostí. Světlo, které pozorujeme, pochází z urychlené, zahřáté hmoty v jeho okolí, která musí vyzařovat elektromagnetické záření. Tam, kde hmota existuje, vyzařuje rádiové vlny a tmavý kruh, který vidíme, je tam, kde jsou rádiové vlny na pozadí blokovány samotným horizontem událostí.

díra v centru naší galaxie: Sagittarius A*. Má hmotnost asi čtyři miliony Sluncí a nachází se obklopena horkým, rentgenové záření vyzařujícím plynem. Rentgenové záření: Wang a kol., IR: NASA/STScI

V případě M87 jsme viděli vše, v co jsme mohli doufat. Ale v případě Sagittarius A* jsme takové štěstí neměli.

Při pozorování černé díry se snažíme vidět rádiové světlo na pozadí obklopující obrovskou hmotu v centru galaxie, kde se horizont událostí samotné černé díry nachází v popředí části světla a odhaluje siluetu. To vyžaduje, aby se tři věci seřadily ve váš prospěch:

1. Musíte mít správné rozlišení, což znamená, že váš dalekohled (nebo soustava dalekohledů) musí vidět pozorovaný objekt jako více než jeden pixel.
2. Potřebujete galaxii, která je rádiově hlasitá, což znamená, že vyzařuje rádiové pozadí, které je dostatečně silné, aby skutečně vyniklo na pozadí siluety horizontu událostí.
3. A potřebujete galaxii, která je rádiově průhledná, což znamená, že skutečně vidíte až k černé díře, aniž by vás rušily rádiové signály v popředí.

ta v centru galaxie M87 je zde zobrazena ve třech pohledech. Nahoře je optický z Hubbla, vlevo dole rádiový z NRAO a vpravo dole rentgenový z Chandry. Přestože její hmotnost činí 6,6 miliardy Sluncí, je více než 2000krát vzdálenější než Sagittarius A*. Dalekohled Event Horizon Telescope se pokusil zobrazit její černou díru v rádiovém záření a byl úspěšný, kdežto zobrazení Sagittarius A* se mu nepodařilo. Nahoře, optický, Hubbleův vesmírný dalekohled / NASA / Wikisky; vlevo dole, rádiový, NRAO / Very Large Array (VLA); vpravo dole, rentgenový, NASA / rentgenový dalekohled Chandra

Prodloužené emise z okolí černých děr jsme již mnohokrát pozorovali v mnoha vlnových délkách světla, včetně rádiové části spektra. Zatímco M87 může splňovat všechna tři potřebná kritéria, černá díra v centru naší galaxie neměla dostatečný poměr signálu k šumu pro vytvoření obrazu, pravděpodobně z důvodu mnohem nižší úrovně intenzity záření. Škoda, protože by se nám líbil lepší snímek druhé černé díry, a to té největší, co se týče úhlové velikosti, na pozemské obloze. Dostali jsme však vesmír, který máme, ne ten, v který doufáme.

Třetí největší černá díra pozorovaná ze Země se nachází ve středu vzdálené galaxie NGC 1277. Dalekohled Event Horizon má sice správné rozlišení pro její pozorování, ale jedná se o rádiově klidnou galaxii, a tak zde není dostatečné rádiové pozadí pro pozorování sihouety. Čtvrtá největší černá díra se nachází nedaleko, v centru Andromedy, ale naše rozlišení je i s dalekohledem Event Horizon Telescope příliš nízké na to, abychom ji mohli pozorovat.

soustavy přispívající k zobrazovacím schopnostem dalekohledu Event Horizon Telescope z jedné ze zemských polokoulí. Data pořízená v letech 2011 až 2017, a zejména v roce 2017, nám nyní poprvé umožnila sestrojit obraz horizontu událostí černé díry. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Jak jsme to viděli? To je tak trochu nejpozoruhodnější část. Event Horizon Telescope, stejně jako každý jiný dalekohled, potřebuje dva různé aspekty dat, která shromažďuje, aby překročil kritickou hranici

1. Potřebuje shromáždit dostatek světla, aby rozlišil signál od šumu, rádiově hlasité oblasti od rádiově tichých oblastí a oblast obklopující černou díru od zbytku prostředí kolem galaktického centra.
2. Potřebuje dosáhnout dostatečně vysokého rozlišení, aby bylo možné lokalizovat přesné detaily v jejich správné úhlové poloze v prostoru.

Obojí potřebujeme, abychom mohli rekonstruovat jakékoli detaily jakéhokoli astronomického objektu, včetně černé díry. Dalekohled Event Horizon musel překonat obrovský problém, aby vůbec získal obraz nějaké černé díry, a to kvůli nepatrné úhlové velikosti.

zde simulovaný, je největší z nich viditelný z pohledu Země. Dalekohled Event Horizon Telescope právě dnes (10. dubna 2019) přišel s prvním snímkem toho, jak vypadá horizont událostí jakékoli černé díry. Velikost horizontu událostí (bílá) a velikost oblasti zbavené světla (černá) mají poměry, které předpovídá obecná teorie relativity a hmotnost samotné černé díry. Ute Kraus, Fyzikální vzdělávací skupina Kraus, Universität Hildesheim; pozadí: Axel Mellinger

Protože jsou oblasti kolem černých děr urychleny na tak velké rychlosti, hmota v nich – tvořená nabitými částicemi – vytváří silná magnetická pole. Když se nabitá částice pohybuje v magnetickém poli, vyzařuje záření, a právě odtud pocházejí rádiové signály. K zachycení signálu postačí i skromný radioteleskop o průměru pouhých několika metrů. Z hlediska výkonu sběru světla je pozorování signálu nad šumem poměrně snadné.

Rozlišení je však nesmírně náročné. Závisí na počtu vlnových délek světla, které se vejdou do průměru dalekohledu. Abychom mohli pozorovat malou černou díru v centru naší galaxie, potřebovali bychom optický teleskop o průměru 5 000 metrů; v rádiovém oboru, kde jsou vlny mnohem delší, bychom potřebovali průměr kolem 12 000 000 metrů!“

zúčastněných dalekohledů Event Horizon Telescope (EHT) a Global mm-VLBI Array (GMVA). Vůbec poprvé se podařilo zobrazit stín horizontu událostí supermasivní černé díry. ESO/O. Furtak

Proto je dalekohled Event Horizon Telescope tak výkonný a chytrý. Technika, kterou používá, je známá jako interferometrie s velmi dlouhou základnou (VLBI), která v podstatě vezme dva nebo více dalekohledů, které mohou provádět stejné typy pozorování ze dvou různých míst, a uzamkne je dohromady.

Současným pozorováním získáte pouze součet světelného výkonu jednotlivých antén, ale získáte rozlišení vzdálenosti mezi anténami. Rozpětím průměru Země mnoha různými dalekohledy (nebo soustavami dalekohledů) současně se podařilo získat data potřebná k rozlišení horizontu událostí.

Rychlost byla limitujícím faktorem ve studiích podobných EHT. Projekt Proto-EHT začal v roce 2007 a nebyl schopen dělat absolutně žádnou z vědeckých prací, které dělá dnes. Toto je snímek obrazovky z přednášky vědce EHT Averyho Brodericka. Perimeter Institute

Rychlost přenosu dat byla neuvěřitelná:

• Zaznamenává vlnu s frekvencí, která odpovídá 230 miliardám pozorování za sekundu.
• To odpovídá 8 GB za sekundu na každé stanici.
• Při 8 stanicích s teleskopy/soustavami teleskopů získáte za hodinu nepřetržitého pozorování 225 TB dat.
• Při týdenním pozorování to vychází na 27 PB (petabajtů) dat!

To vše pro jeden jediný snímek černé díry. Po spojení datových modulů pro M87 měl k dispozici 5 PB surových dat!

jak byl vyfotografován s Magellanovými oblaky nad hlavou. Velký počet antén umístěných blízko sebe, které jsou součástí ALMA, pomáhá vytvořit mnoho nejdetailnějších snímků oblastí, zatímco menší počet vzdálenějších antén pomáhá zaostřit na detaily v nejjasnějších místech. Přidání ALMA k dalekohledu Event Horizon Telescope umožnilo zkonstruovat obraz horizontu událostí. ESO/C. Malin

Co jsme se tedy dozvěděli? Dozvěděli jsme se spoustu věcí a v příštích dnech a týdnech se objeví mnoho příběhů o různých detailech a nuancích. Existují však čtyři velké poznatky, které by měl být schopen ocenit každý.

První a nejdůležitější je, že černé díry skutečně existují! Lidé si vymýšleli nejrůznější bizarní schémata a scénáře, jak se jim vyhnout, ale první přímý snímek horizontu událostí by měl všechny tyto pochybnosti rozptýlit. Nejenže máme všechny nepřímé důkazy z LIGO, gravitačních měření oběžných drah kolem galaktického centra a dat z rentgenových dvojhvězd, ale nyní máme i přímý obraz horizontu událostí.

Druhé a téměř stejně ohromující: Obecná relativita opět vítězí! Einsteinova teorie předpověděla, že horizont událostí bude kulový, nikoliv oblý nebo proláklý, a že oblast zbavená záření bude mít určitou velikost podle změřené hmotnosti černé díry. Nejvnitřnější stabilní kruhová dráha, předpovězená obecnou relativitou, ukazuje jasné fotony, které jako poslední uniknou z gravitační přitažlivosti černé díry.

Opět se ukázalo, že obecná relativita, i když byla podrobena nové zkoušce, vyšla neporažena!

Mléčná dráha se může jevit dalekohledu horizontu událostí v závislosti na její orientaci vůči nám. Tyto simulace předpokládají, že horizont událostí existuje, že platí rovnice řídící teorii relativity a že jsme na naši zájmovou soustavu aplikovali správné parametry. Všimněte si, že se jedná o simulace staré již 10 let, tedy z roku 2009. Páni, byly dobré! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

Zatřetí jsme se dozvěděli, že naše simulace pro předpověď toho, jak by měly vypadat rádiové emise v okolí černé díry, byly opravdu, opravdu dobré! To nám říká, že nejen velmi dobře rozumíme prostředí kolem černé díry, ale že rozumíme i dynamice hmoty a plynu, které kolem ní obíhají. To je docela velkolepý úspěch!“

A začtvrté jsme se dozvěděli, že hmotnost černé díry, kterou jsme odvodili z gravitačních pozorování, je správná a hmotnost černé díry, kterou jsme odvodili z rentgenových pozorování, je systematicky příliš nízká. V případě M87 se tyto odhady lišily 2krát; v případě Sagittarius A* se lišily 1,5krát.

Nyní víme, že gravitace je správná cesta, protože odhady hmotnosti 6,6 miliardy Sluncí z gravitace M87 se velkolepě shodují se závěry dalekohledu Event Horizon Telescope o hmotnosti 6,5 miliardy Sluncí. Naše rentgenová pozorování jsou totiž zkreslená směrem k příliš nízkým hodnotám.

supermasivní černá díra v jádru Mléčné dráhy. U těchto hvězd lze při pozorování v infračervené oblasti sledovat jejich dráhy ve vzdálenosti pouhých několika světelných let od Sagittarius A*, což nám umožňuje rekonstruovat hmotnost centrální černé díry. Podobné, ale složitější metody byly použity k rekonstrukci gravitační hmotnosti černé díry v M87. Přímým rozlišením centrální černé díry v M87 se nám podařilo potvrdit, že hmotnosti odvozené z gravitace odpovídají skutečným rozměrům horizontu událostí, zatímco pozorování v rentgenovém oboru tomu tak není. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Při další vědecké práci s dalekohledem Event Horizon Telescope se dozvíme ještě mnoho věcí. Můžeme se dozvědět, proč černé díry vzplanou a zda se v akrečním disku objevují přechodné jevy, jako jsou horké skvrny. Můžeme zjistit, zda se poloha centrální černé díry v čase mění, což nám umožní odvodit existenci menších, dosud neviditelných černých děr v blízkosti těch supermasivních, centrálních. S přibývajícím počtem černých děr se můžeme dozvědět, zda jsou hmotnosti černých děr, které odvozujeme buď z jejich gravitačního působení, nebo z jejich rentgenového záření, univerzálně zkreslené, či nikoli. A můžeme se dozvědět, zda mají akreční disky univerzální souosost se svými hostitelskými galaxiemi, či nikoliv.

Orientace čelem k sobě (levé dva panely) nebo hranou k sobě (pravé dva panely) může značně změnit to, jak se nám černá díra jeví. Zatím nevíme, zda existuje univerzální zarovnání nebo soubor náhodných zarovnání mezi černými dírami a akrečními disky. ‚K horizontu událostí – supermasivní černá díra v centru Galaxie‘, Class. Quantum Grav.“, Falcke & Markoff (2013)

Tyto odpovědi nemůžeme znát jen s našimi prvními výsledky, ale je to jen začátek. Nyní žijeme ve světě, kde můžeme zobrazit přímo horizonty událostí černých děr. Víme, že černé díry existují; víme, že horizonty událostí jsou skutečné; víme, že Einsteinova teorie gravitace byla nyní potvrzena zcela bezprecedentním způsobem. A všechny poslední přetrvávající pochybnosti o tom, že supermasivní behemoty v centrech galaxií jsou skutečně černé díry, se nyní vypařily.

Černé díry existují a jsou velkolepé. Přinejmenším v rádiové části spektra je díky neuvěřitelnému úspěchu dalekohledu Event Horizon Telescope vidíme jako nikdy předtím.

Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.