Нобеловата награда и първата снимка на черна дупка

Вероятно сте чули новината за първата снимка на черна дупка, публикувана от учен. Снимката беше невероятна новина не само за астрономията, но и за целия свят. Тази снимка беше първата стъпка към нова врата на информацията. Вселената става все по-просветена с всяка нова информация и благодарение на това сме способни да разберем по-добре всички загадки отвъд нашата планета.

Неотдавна видяхме как дванадесет лауреати бяха удостоени с Нобеловата награда за 2020 г. и как един от тях допринесе изключително много за човечеството със своите изследвания и открития. Всички те са невероятни изследователи и с удоволствие бихме говорили за всеки един от тях тук, но днес за по-добро обяснение и разбиране на контекста на първата картина на черна дупка ще говорим за работата на лауреатите Роджър Пенроуз, Райнхард Генцел и Андреа Гец, носители на Нобелова награда за физика.

Според официалния уебсайт на Нобеловата награда лауреатите са получили признание "за откритието, че формирането на черни дупки е надеждно предсказание на общата теория на относителността" и "за откриването на свръхмасивен компактен обект в центъра на нашата галактика". Пенроуз чрез впечатляващи математически методи доказва, че черните дупки са свързани с теорията на относителността на Айнщайн, докато Райнхард Генцел и Андреа Гез откриват неопровержими доказателства, че в центъра на нашата галактика Млечен път наистина има черна дупка, известна днес с името Стрелец А*.

За да разберем напълно темата, трябва да знаем няколко основни понятия за черните дупки, като например: "Какво е черна дупка?"; "От какво са направени? Къде можем да намерим такава?"

Първото нещо, което трябва да знаем, е понятието, което се използва често в много теми в областта на астрономията, а именно понятието за пространство-време. Пространствено-времевото пространство е четириизмерно многообразие, три измерения на пространството и едно измерение на времето, като в координатна система имаме (x,y,z,t). Интересен факт е, че една точка в тази координатна система се нарича събитие. По този начин можем да получим определението за черна дупка.

Черната дупка е област от пространство-времето където гравитацията е толкова силна, че нито един газ, прах, частица или дори светлина не могат да се освободят от нея! Всички те са силно привлечени от силата на гравитацията в черната дупка и изчезват, отивайки на място, което остава неизвестно и до днес за учените. Интересното тук е, че ако дори светлината не може да се освободи от тази сила, е невъзможно да се види черна дупка или дори да се знае къде има такава. Все едно да се опитате да видите черен обект на черен фон - не можете да го видите, или ако го видите, е много трудно. И така, как го правят учените?

Теоретично черните дупки се образуват обикновено, когато много масивна звезда, много по-тежка от Слънцето, се срине в края на живота си. Масата е много важен фактор, за да се реши дали мъртвата звезда ще се превърне в черна дупка или в неутронна звезда. Тази свръхмасивна звезда е притисната в много малко пространство заради гравитацията и за да се образува черна дупка, тази компактна маса може да деформира пространство-времето, според общата теория на относителността.

Тази деформация на пространство-времето създава сила на гравитационно ускорение, насочена към центъра на плътното масово тяло. И поради тази сила газът и частиците в близост до черната дупка започват да набират скорост на въртене, като са принудително привлечени към черната дупка. Това явление се нарича Акреционен диск.

Тази гравитационна сила и сила на триене карат всички газове и частици с електрически заряд да генерират не само повишаване на температурата, но и електромагнитно излъчване с различни честоти, например инфрачервено или рентгеново. Благодарение на тази невероятна характеристика черната дупка може да бъде "видяна". Това е добре, но не улеснява работата на учените на 100 процента, имате честота, която можете да проследите, но все още не можете да кажете "о, вижте, черна дупка там в небето". Не можем да третираме светлината на черната дупка наравно с тази на обикновена звезда; те са много различни една от друга. Но добрата новина е, че черният обект от началото сега е леко осветен на черния фон.

На първата снимка на черната дупка се вижда акреционният диск. В този случай черната дупка е 6,5 милиона пъти по-тежка от нашето Слънце и се намира в галактиката Месие 87, на 53 милиона светлинни години от Земята. Снимката е възможна с помощта на времевата работа на осем различни телескопа по света, Event Horizon Telescope и някои други мисии на космически телескопи, като заедно те заснемат по едно и също време данни от М87, през април 2017 г. Всеки от тях заснема различни данни от черната дупка, а след това всичко се обединява, за да се получи изображението. Това може да звучи като лесно и еднократна работа, но ученият е трябвало да работи усилено, за да разбере напълно всички данни и как да се справи с тях, кой алгоритъм да използва и как да го използва.

В статия, публикувана през 1997 г., Генцел показва, че събраните данни от пет различни години, от 1992 до 1996 г., улавят бързо движещи се звезди в непосредствена близост до Sgr A* и че в средата на тези звезди се намира много голяма и тежка тъмна маса. "Няма стабилна конфигурация от нормални звезди, звездни остатъци или подзвездни образувания при тази плътност", се казва в статията (GENZEL et al., 1997). В заключение се казва, че "в ядрото на Млечния път трябва да има масивна черна дупка".

В друга статия, публикувана през 1998 г. от Ghez, двегодишно проучване открива същия модел на движещо се начало на същото място, както се казва в статията: "пиковете както на плътността на звездната повърхност, така и на дисперсията на скоростта съответстват на позицията на кандидата за черна дупка (все още кандидат по това време) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Изображенията, използвани в изследването, са получени с дължина на вълната в близката инфрачервена област - видът честота, излъчвана от акреционния диск.

Ето кратък списък с тези статии:

GENZEL, R. и др. За естеството на тъмната маса в центъра на Млечния път. Месечни известия на Кралското астрономическо дружество, том 291, № 1, стр. 219-234, 11 стр. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Доказателство за свръхмасивна черна дупка в центъра на нашата галактика. Астрофизичното списание, v. 509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.

GHEZ, A. M. и др. Измерване на разстоянието и свойствата на централната свръхмасивна черна дупка на Млечния път със звездни орбити. Астрофизичното списание, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.

Не е ли толкова красива Вселената?

Всичко това вече е невероятно, но все още предстои да се случи много повече, както казва Дейвид Хавиланд, председател на Нобеловия комитет по физика "...тези екзотични обекти все още поставят много въпроси, които търсят отговори и мотивират бъдещи изследвания. Не само въпроси за вътрешната им структура, но и въпроси за това как да проверим нашата теория за гравитацията при екстремните условия в непосредствена близост до черна дупка". И ние ще бъдем тук, все пак с нетърпение очакваме следващата почивка! Междувременно благодарим на тазгодишните лауреати Роджър Пенроуз, Райнхард Генцел и Андреа Гез, ти си страхотен!

Ако искате да прочетете и за работата на Роджър Пенроуз, ето няколко статии, в които се описва работата му. Една от тях е публикувана заедно с легендарната Стивън Хокинг. Можете да разгледате тези статии и тук:

HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time (Природата на пространството и времето). Американско списание по физика, том 65, № 7, стр. 676-676, 1 юли 1997 г.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Запазване на енергията като основа на релативистката механика. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. An Approach to Gravitational Radiation by a Method of Spin Coefficients (Подход към гравитационното излъчване чрез метода на спиновите коефициенти). Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Запазване на енергията като основа на релативистката механика. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 jan. 1965.

Ако ви предстои проект или презентация в областта на астрономията, можете да използвате Mind the Graph, за да направите съдържанието си по-ефективно, дидактично и забавно! Знаем, че е трудно да се получат добри снимки по темата, затова сме тук, за да ви помогнем с това, можете да разгледате нашето съдържание за астрономия точно тук.

В Mind the Graph можете да намерите всичко, от което се нуждаете, а ако не - ние можем да ви помогнем!

Нека заедно подобрим комуникацията в науката! Готови ли сте да опитате?

Нобеловата награда и първата снимка на черна дупка

Абонирайте се за нашия бюлетин

За Фабрисио Памплона