M87 pagauta EHT įrodė, jog A. Enšteinas ir juodoji bedugnė teisūs – balandžio 10 dieną paskelbta pirmoji juodosios bedugnės šešėlio nuotrauka
Juodoji bedugnė po 55 mln metų
Įvykių horizonto teleskopas (Event Horizon Telescope) pirmą kartą istorijoje sugebėjo nufotografuoti juodąją bedugnę galaktikos M87 centre. Nuotraukoje matomas šviesus žiedas susiformavęs dėl šviesos spindulių lūžio 6.5 milijardų kartų už Saulę masyvesnės juodosios bedugnės gravitaciniame lauke. (Event Horizon Telescope Collaboration)
Pirmą istorijoje juodosios bedugnės nuotrauką sukūrė tarptautinis radioteleskopų tinklas Įvykių horizonto teleskopas (Event Horizon Telescope, EHT). Šioje įspūdingoje nuotraukoje užfiksuotas supermasyvios juodosios bedugnės M87*, esančios 55 mln šviesmečių atstumu nuo Žemės elipsinės galaktikos M87 (Messier 87) centre, šešėlis. Juodoji bedugnė M87* yra 6.5 mlrd kartų masyvesnė už Saulę. Jos atvaizdą pavyko nufotografuoti dėka antžeminių radijoteleskopų išdėstytų aštuoniose skirtingose pasaulio vietose, bet veikiančių kaip vienas teleskopas, kurio dydis gali būti sulyginamas su Žemės planeta.
Nors anksčiau buvo manoma, kad juodąją bedugnę nufotografuoti yra neįmanoma, tarptautinei astronomų grupei pavyko įamžinti juodosios bedugnės siluetą. Jau kažkurį laiką yra gaunami juodųjų bedugnių egzistavimo įrodymai. Juodosios bedugnės – tai dangaus kūnai, kurių tankis yra toks didelis ir gravitacinis laukas toks stiprus, kad net šviesos spinduliai negali iš jo ištrūkti. Todėl ilgą laiką buvo manoma, kad juodąją bedugnę nufotografuoti yra neįmanoma: kūnas, kuris nespinduliuoja jokių spindulių, nuotraukose turėtų būti visiškai juodas. Tačiau astronomai rado būdą kaip nufotografuoti tokią juodąją bedugnę supantį šviečiantį į ją krentančios karštos medžiagos diską, kurio fone juodosios bedugnės įvykių horizontas matomas kaip šešėlis.
Dauguma potencialių juodųjų bedugnių yra ganėtinai tolimi objektai. Tolimiems objektams fotografuoti naudojami dideli teleskopai. Kuo didesnis teleskopo skersmuo, tuo daugiau šviesos jis surenka ir tuo silpnesnius objektus su juo galima stebėti. Todėl norėdami įžiūrėti labai tolimų objektų detales turime naudoti ypatingai didelio skersmens teleskopus. Deja, tokio dydžio telekopo, kuris tiktų M87* fotografavimui, neįmanoma pagaminti dėl techninių priežasčių.
Įvykių horizonto teleskopas – EHT
Tačiau daug mažų teleskopų taip pat gali veikti kaip vienas labai didelis teleskopas. Reikia tik, kad tie teleskopai vienu metu sinchroniškai stebėtų tą patį objektą. Tai yra vadinamasis interferometrijos metodas (Very Long Baseline Interferometry, VLBI), leidžiantis fotografuoti labai tolimus objektus. Panaudoję VLBI metodą, mokslininkai sukūrė teleskopų tinklą, kurį pavadino Įvykių horizonto teleskopu (Event Horizon Telescope, EHT) ir panaudojo jį atrodo neįmanomam tikslui: nufotografuoti juodąją bedugnę.
VLBI metodu veikiančių teleskopų efektinis skersmuo yra lygus atstumui tarp dviejų toliausiai nutolusių teleskopų stočių. EHT atveju viena iš tokių stočių yra ties pietiniu Žemės poliumi, o kita – Ispanijoje. Tokiu būdu EHT teleskopo efektinis skersmuo siekia beveik Žemės planetos skersmenį. Kiekvienas tokių įrenginių tinklo teleskopas skirtingose Žemės vietose stebi tą patį objektą, šiuo atveju juodąją bedugnę. Kiekvieno atskiro teleskopo stebėjimai – tai tik maža dalelytė viso to vaizdo, kuris gaunamas surinkus stebėjimų duomenis iš visų EHT teleskopų. Kuo daugiau teleskopų yra išdėstyta dideliais atstumais, tuo geresnė nuotraukos rezoliucija gaunama.
VLBI metodo ir kompiuterinių algoritmų testavimui EHT komanda pasirinko du objektus, kurių kiekvienas buvo savaip įdomus ir sudėtingas stebėti.
Viena iš EHT tinkle esančių radioteleskopų stočių yra Atakamos didysis milimetrinis/submilimetrinis masyvas (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA) Čilėje turi 66 aukštos rezoliucijos antenas. (NRAO/AUI/NSF)
Artimiausia Žemei supermasyvi Mūsų galaktikai prilausanti juodoji bedugnė yra Sagittarius A*. Ji yra Mūsų galaktikos centre, 26 tūkst. šviesmečių atstumu nuo Žemės, o jos masė – 4 mln kartų didesnė už Saulės masę. EHT komanda įtraukė šią juodąją bedugnę į kandidates dėl jos santykinai didelės masės ir dėl to, kad ji priklauso Mūsų galaktikai. Tačiau, norint stebėti šią supermasyvią juodąją bedugnę nuo Žemės paviršiaus, reiktų, kad žvelgti išilgai galaktikos disko pro erdvę, kurioje gausu žvaigždžių ir tarpžvaigždinės medžiagos, o tai labai apsunkina stebėjimų rezultatų apdorojimą.
Kandidatė M87 tiko
Antra kandidatė stebėjimams buvo pasirinkta supermasyvi juodoji bedugnė M87*. Tai viena didžiausių žinomų juodųjų bedugnių, kuri yra milžiniškoje elipsinėje galaktikoje Messier 87 (arba M87) 53 mln šviesmečių nuo Žemės. Ši juodoji bedugnė yra gerokai masyvesnė už Sagittarius A*. Jos masė siekia net 6.5 mlrd Saulės masių (Saulės masė yra 2×1030 kg). M87* yra patraukli tyrimams dar ir dėl to, kad ji, priešingai nei Sagittarius A*, yra aktyvi juodoji bedugnė, į ją krentanti aplinkos medžiaga pirmiausiai suformuoja įkaitusios medžiagos akrecinį diską, o po to dalis į juodąją bedugnę krentančios medžiagos išspjaunama atgal į kosminę erdvę čiurkšlių pavidalu. Tačiau didelis atstumas iki šios juodosios bedugnės iškėlė naujus iššūkius mokslininkams. Visai suprantama, nes tolimus objektus visada yra sudėtingiau fotografuoti nei artimus. Užduotis nufotografuoti M87* gali būti palyginta su užduotimi nufotografuoti apelsiną Mėnulio paviršiuje.
2017 metais EHT sudarė teleskopai aštuoniose skirtingose pasaulio vietose (nuo tada vietovių skaičius dar išaugo). Juodųjų bedugnių stebėjimams buvo apjungti visų aštuonių vietovių teleskopai, pasiekiant skiriamąją gebą net 4000 kartų geresnę nei Hubble kosminio teleskopo (HST).
Visų pirma reikėjo parinkti visoms vietovėms tinkamą stebėjimų laiką, kai jose oro sąlygos būtų palankiausios stebėjimams. M87* stebėjimams buvo skirta 10 dienų 2017 balandį. 4 naktys iš pasirinkų buvo giedros visose aštuoniose vietovėse.
Juodoji bedugnė ir atominis laikrodis
Kiekvieno teleskopo laikas turėjo būti sinchronizuotas naudojant labai tikslų atominį laikrodį. Juodosios bedugnės stebėjimai buvo atliekami keturių parų laikotarpyje su teleskopais esančiais skirtingose planetos vietose. Per tas keturias paras buvo surinkta apie 5 petabaitų stebėjimų duomenų. Tokį kiekį duomenų sudėtinga persiųsti internetu, tad jie buvo įrašomi į duomenų laikmenas, kurios vėliau buvo transportuojamos į centrinę būstinę (Radioastronomijos Makso Planko institutą Bonoje, Vokietija) ir Masačiusetso technologijų instituto Haistako observatoriją (Vestfordas, JAV)) apdorojimui. Centrinėje būstinėje stebėjimų duomenys buvo sudėti į vieną vaizdą, kuriame ir pasimatė objekto M87* įvykių horizontas.
Kartu su EHT 2017 metų balandžio mėnesį M87 galaktikos juodąją bedugnę M87* stebėjo ir keli NASA kosminiai teleskopai: Chandra rentgeno spindulių observatorija, Brandulinių spektroskopinių teleskopų masyvas (NuSTAR), Neil Gehrels Swift observatorija, Fermi gama spindulių kosminis teleskopas (Fermi Gamma-ray Space Telescope) ir kt. Jie stebėjo M87* skirtinguose rentgeno bei gama spindulių bangų ilgiuose. Nors papildomi NASA kosminių palydovų stebėjimai ir neprisidėjo prie geresnės M87* nuotraukos kokybės sukūrimo, bet surinktą papildomą informaciją mokslininkai panaudojo stebėtų čiurkšlių palyginimui su teoriniais čiurkšlių ir diskų modeliais. Stebėjimai rentgeno spinduliuose padeda suprasti, kas atsitinka dalelėms netoli įvykių horizonto. Jei EHT pastebėtų juodosios bedugnės aplinkos kitimus, minėtų kosminių teleskopų stebėjimai galėtų paaiškinti tų kitimų priežastį. Dar daugiau naujos informacijos mokslininkai gali išsiaiškinti tęsdami surinktų duomenų analizę.
A. Enšteinas teisus
Tokių objektų tyrimai leidžia geriau suprasti fizikinius dėsnius, išbandyti naujus stebėjimų metodus bei teorijas, tokias kaip reliatyvumo teorija (sukūrė A. Enšteinas XX a. pradžioje), erdvėlaikio deformacijos. Yra žinoma, kad didelės masės aplinkoje laikas „teka” kitokiu greičiu, erdvė yra deformuojama, susidaro gravitaciniai lęšiai, šalia didelę masę turinčio kūno sklindantys spinduliai keičia savo kryptį ir lūžta, stebimi lyg pro stiklinį lęšį. Nors reliatyvumo teoriją (A. Enšteinas) mokslininkai patvirtino stebėdami erdvėlaikį mažesnės masės objektų, tokių kaip Žemė ir Saulė, aplinkoje, tačiau ji dar nebuvo patikrinta didelės masės ir tankio objektų, tokių kaip juodosios bedugnės, aplinkose. Tad A. Enšteinas dar kartą teisus.
M87 galaktikos branduolio nuotrauka, kurią padarė Chandra rentgeno spindulių observatorija (Chandra X-ray Observatory). (NASA/CXC/Villanova University/J. Neilsen)
Pasinaudoję M87* nuotrauka mokslininkai sugebėjo panaudoti naują tokio objekto masės nustatymo būdą, kuris yra labiau tiesioginis nei iki šiol naudotieji. EHT gautos nuotraukos padėjo mokslininkams išmatuoti įvykių horizonto (arba Švarcšildo) spindulį, pagal kurį ir buvo paskaičiuota šios juodosios bedugnės masė. Gautos masės vertė buvo labai artima tai, kuri buvo paskaičiuota pagal aplink juodąją bedugnę skriejančių žvaigždžių judėjimą. Tokiu buvo patvirtintas naujas juodųjų bedugnių masės apskaičiavimo metodas.
Juodoji bedugnė – dydis ir forma
Juodosios bedugnės dydis ir forma priklauso nuo jos masės ir sukimosi, kurie gali būti nustatyti pagal reliatyvumo teroiją. A. Enšteinas ir jo reliatyvumo teorija numato, kad juodosios bedugnės siluetas turėtų būti maždaug artimas apskritimui, bet kitos gavitacijos teorijos numato tam tikrus nukrypimus nuo apskritiminės formos. M87* siluetas yra apskritiminis, tokiu būdu Einšteino reliatyvumo teorija labiau dera su juodosios bedugnės nuofotografuotu vaizdu nei kitos teorijos.
Šią nuotrauką, kurioje matoma iš subatominių dalelių sudaryta juodosios bedugnės M87* čiurkšlė, padarė NASA Hubble kosminis teleskopas. (STScI/AURA)
Vis dar egzistuoja begalė klausimų apie juodąsias bedugnes, į kuriuos gali atsakyti pastarieji stebėjimai. Gauti duomenys taip leis sužinoti daugiau apie juodąsias bedugnes supančių struktūrų, tokių kaip juodąją bedugnę „maitinantis“ akrecinis diskas ir plazmos čiuršlės, formavimąsi ir elgesį. Mokslininkai sukūrė hipotezę, kaip formuojasi akrecinis diskas, bet jie niekada iki šiol neturėjo galimybės palyginti teoriją su stebėjimais. Taip pat mokslininkus labai domina mechanizmas, kurio dėka ties kai kuriomis supermasyviomis juodosiomis bedugnėmis susiformuoja plazmos čiurkšlės, kurių dalelės lekia beveik šviesos greičiu. Mokslininkai bandys atsakyti į klausimą, iš kur dalelės gauna tokį didelį energijos kiekį kad išvystytų tokį greitį.
Anksčiau NASA kosminiai teleskopai jau tyrinėjo čiurkšles nusidriekiančias toliau nei 1000 šviesmečių nuo M87 galaktikos centro. 1999 metais Hubble kosminis teleskopas aptiko tokioje čiurkšlėje medžiagos sankaupą, kurios šviesis paslaptingai padidėjo, o po to vėl sumažėjo. EHT buvo sukonstruotas tirti būtent tokias čiurkšles ir panašius reiškinius, nes mokslininkai vis dar neranda vienareikšmio paaiškinimo kai kuriais atvejais. Kitas klausimas yra: kas atsitinka su energija, kai medžiaga krenta į juodąją bedugnę.
Tikimas, kad į šiuos klausimus pavyks atsakyti surinkus dar daugiau duomenų su EHT teleskopu ir sukūrus atitinkamus kompiuterinius algoritmus.
Ta pati komanda dirba ir su kito objekto, Sagittarius A*, EHT stebėtais vaizdais ir stengiasi išgauti kuo geresnės kokybės galutinę nuotrauką.