Nagroda Nobla i pierwsze zdjęcie czarnej dziury

Prawdopodobnie słyszałeś wiadomość o pierwszym zdjęciu czarnej dziury opublikowanym przez naukowca. Zdjęcie to było niesamowitą wiadomością nie tylko dla astronomii, ale także dla całego świata. To zdjęcie było pierwszym krokiem w kierunku nowych drzwi informacji. Wszechświat staje się coraz bardziej oświecony dzięki nowym informacjom i dzięki temu jesteśmy w stanie lepiej zrozumieć wszystkie tajemnice poza naszą planetą.

Niedawno widzieliśmy, jak dwunastu laureatów otrzymało Nagrodę Nobla 2020 i jak jeden z nich w niezwykły sposób przyczynił się do rozwoju ludzkości dzięki swoim badaniom i odkryciom. Wszyscy są niesamowitymi badaczami i chcielibyśmy opowiedzieć o każdym z nich tutaj, ale dzisiaj, aby lepiej wyjaśnić i zrozumieć kontekst pierwszego obrazu czarnej dziury, porozmawiamy o pracy laureatów Rogera Penrose'a, Reinharda Genzela i Andrei Ghez, laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

Zgodnie z oficjalną stroną Nagrody Nobla, laureaci zostali wyróżnieni "za odkrycie, że powstawanie czarnych dziur jest solidnym przewidywaniem ogólnej teorii względności" oraz "za odkrycie supermasywnego zwartego obiektu w centrum naszej galaktyki". Penrose za pomocą imponujących metod matematycznych udowodnił, że czarne dziury są powiązane z teorią względności Einsteina, podczas gdy Reinhard Genzel i Andrea Ghez odkryli niepodważalne dowody na to, że w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej rzeczywiście znajduje się czarna dziura, dziś znana pod nazwą Sagittarius A*.

Aby w pełni zrozumieć ten temat, musimy znać kilka podstawowych pojęć na temat czarnych dziur, takich jak "Czym jest czarna dziura?"; "Jak są zbudowane? Gdzie możemy taką znaleźć?"

Pierwszą rzeczą, którą musimy wiedzieć, jest pojęcie używane w wielu tematach z dziedziny astronomii, czyli pojęcie czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń to czterowymiarowa rozmaitość, trzy wymiary przestrzeni i jeden wymiar czasu, w układzie współrzędnych mamy (x,y,z,t). Interesującym faktem jest to, że pojedynczy punkt w tym układzie współrzędnych nazywany jest zdarzeniem. W ten sposób otrzymujemy definicję czarnej dziury.

Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni gdzie grawitacja jest tak silna, że żaden gaz, pył, cząsteczka czy nawet światło nie może się od niej uwolnić! Wszystkie one są SILNIE przyciągane przez siłę grawitacji do czarnej dziury i znikają, udając się do miejsca, które pozostaje nieznane nawet dziś dla naukowców. Interesujące jest to, że jeśli nawet światło nie może uwolnić się od tej siły, niemożliwe jest zobaczenie czarnej dziury, a nawet dowiedzenie się, gdzie ona jest. To tak, jakbyś próbował zobaczyć czarny obiekt na czarnym tle, nie możesz go zobaczyć, a jeśli to zrobisz, jest to bardzo trudne. Jak więc naukowcy to robią?

Teoretycznie czarne dziury powstają zwykle, gdy bardzo masywna gwiazda, znacznie cięższa od Słońca, zapada się pod koniec swojego życia. Masa jest bardzo ważnym czynnikiem decydującym o tym, czy martwa gwiazda przekształci się w czarną dziurę, czy w gwiazdę neutronową. Taka supermasywna gwiazda jest ściśnięta w bardzo małej przestrzeni z powodu grawitacji i aby utworzyć czarną dziurę, ta zwarta masa może deformować czasoprzestrzeń, zgodnie z ogólną teorią względności.

Ta deformacja czasoprzestrzeni tworzy siłę przyspieszenia grawitacyjnego skierowaną do środka gęstego ciała. Z powodu tej siły gaz i cząstki znajdujące się w pobliżu czarnej dziury zaczynają nabierać prędkości obrotowej, będąc siłą przyciągane do czarnej dziury. Zjawisko to nazywane jest Dysk akrecyjny.

Ta siła grawitacji i tarcia powoduje, że wszystkie gazy i cząstki z ładunkami elektrycznymi generują nie tylko wzrost temperatury, ale także promieniowanie elektromagnetyczne o różnych częstotliwościach, takich jak podczerwień lub promieniowanie rentgenowskie. Dzięki tej niesamowitej charakterystyce czarna dziura może być "widziana". To dobrze, ale nie ułatwia pracy naukowca w 100 procentach, masz częstotliwość, którą możesz śledzić, ale nadal nie możesz powiedzieć "o patrz, czarna dziura tam na niebie". Nie możemy traktować światła czarnej dziury na równi ze zwykłą gwiazdą; bardzo się od siebie różnią. Ale dobrą wiadomością jest to, że czarny obiekt z początku jest teraz lekko oświetlony na czarnym tle.

Na pierwszym zdjęciu czarnej dziury widzimy dysk akrecyjny. Czarna dziura w tym przypadku jest 6,5 miliona razy cięższa od naszego Słońca i znajduje się w galaktyce Messier 87, 53 miliony lat świetlnych od Ziemi. Uzyskanie tego obrazu było możliwe dzięki pracy ośmiu różnych teleskopów na całym świecie, Event Horizon Telescope i kilku innych misji teleskopów kosmicznych, które razem przechwyciły w tym samym czasie dane z M87, w kwietniu 2017 roku. Każdy z nich przechwycił inne dane z czarnej dziury, a następnie wszystko zostało złożone razem, tworząc obraz. Może się to wydawać łatwe i jednoetapowe, ale naukowcy musieli ciężko pracować, aby w pełni zrozumieć wszystkie dane i jak sobie z nimi radzić, jakiego algorytmu użyć i jak go wykorzystać.

W artykule opublikowanym w 1997 roku Genzel wykazał, że zebrane dane z pięciu różnych lat, od 1992 do 1996 roku, wychwytują szybko poruszające się gwiazdy w bezpośrednim sąsiedztwie Sgr A* oraz że bardzo duża i ciężka ciemna masa znajduje się w środku tych gwiazd. "Nie ma stabilnej konfiguracji normalnych gwiazd, pozostałości gwiezdnych lub bytów subgwiezdnych o tej gęstości" - czytamy w artykule (GENZEL et al., 1997). Podsumowując, "w jądrze Drogi Mlecznej musi znajdować się masywna czarna dziura".

W innym artykule opublikowanym w 1998 r. przez Gheza, dwuletnie badanie wykryło ten sam wzór poruszających się początków w tym samym miejscu, jak stwierdzono w artykule "szczyty zarówno gęstości powierzchniowej gwiazd, jak i dyspersji prędkości są zgodne z położeniem kandydata na czarną dziurę (jeszcze wtedy kandydata) Sgr A*" (GHEZ i in., 1998). Obrazy wykorzystane w badaniu zostały uzyskane w bliskiej podczerwieni, rodzaju częstotliwości emitowanej przez dysk akrecyjny.

Oto krótka lista tych artykułów:

GENZEL, R. et al. O naturze ciemnej masy w centrum Drogi Mlecznej. Wiadomości miesięczne Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego, v. 291, n. 1, s. 219-234, 11 out. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Dowody na istnienie supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki. The Astrophysical Journal, v. 509, n. 2, s. 678-686, grudzień 1998.

GHEZ, A. M. et al. Pomiar odległości i właściwości centralnej supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej za pomocą orbit gwiezdnych. The Astrophysical Journal, v. 689, n. 2, s. 1044-1062, grudzień 2008.

Czyż wszechświat nie jest piękny?

Wszystko to jest już niesamowite, ale wciąż jest wiele do zrobienia, jak powiedział David Haviland, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki "... te egzotyczne obiekty wciąż stawiają wiele pytań, które błagają o odpowiedzi i motywują przyszłe badania. Nie tylko pytania o ich wewnętrzną strukturę, ale także pytania o to, jak przetestować naszą teorię grawitacji w ekstremalnych warunkach w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury". I my tu będziemy, z niecierpliwością czekając na kolejną przerwę! Tymczasem dziękujemy tegorocznym Laureatom Roger Penrose, Reinhard Genzel oraz Andrea GhezJesteś niesamowity!

Jeśli chcesz również przeczytać o pracy Rogera Penrose'a, oto kilka artykułów opisujących jego pracę. Jeden z nich został opublikowany razem z legendarnym Stephen Hawking. Możesz również sprawdzić te artykuły tutaj:

HAWKING, S.; PENROSE, R. Natura przestrzeni i czasu. American Journal of Physics, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 jul. 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Zachowanie energii jako podstawa mechaniki relatywistycznej. 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. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, s. 55-59, 1 stycznia 1965.

Jeśli masz projekt lub prezentację na temat dowolnej dziedziny astronomii, możesz użyć Mind the Graph, aby uczynić swoje treści bardziej wydajnymi, dydaktycznymi i zabawnymi! Wiemy, że trudno jest uzyskać dobre zdjęcia na ten temat, więc jesteśmy tutaj, aby ci w tym pomóc, możesz sprawdzić nasze treści na temat astronomii tutaj.

W Mind the Graph znajdziesz wszystko, czego potrzebujesz, a jeśli nie, możemy Ci pomóc!

Razem poprawmy komunikację w nauce! Czy jesteś gotowy spróbować?

Nagroda Nobla i pierwsze zdjęcie czarnej dziury

Zapisz się do naszego newslettera

O Fabricio Pamplonie