Nobelova cena a prvý obrázok čiernej diery

Pravdepodobne ste počuli správu o prvom obrázku čiernej diery, ktorý zverejnil vedec. Tento obrázok bol úžasnou správou nielen pre oblasť astronómie, ale aj pre celý svet. Tento obrázok bol prvým krokom k novým dverám informácií. Vesmír sa každou novou informáciou viac osvetľuje a vďaka tomu sme schopní lepšie pochopiť všetky záhady mimo našej planéty.

Nedávno sme boli svedkami toho, ako bola dvanástim laureátom udelená Nobelova cena za rok 2020 a ako jeden z nich svojím výskumom a objavmi významne prispel ľudstvu. Všetci sú to úžasní vedci a radi by sme tu hovorili o každom z nich, ale dnes si pre lepšie vysvetlenie a pochopenie súvislostí prvého obrazu čiernej diery povieme o práci laureátov Rogera Penrosea, Reinharda Genzela a Andrey Ghez, nositeľov Nobelovej ceny za fyziku.

Podľa oficiálnej webovej stránky Nobelovej ceny boli laureáti ocenení "za objav, že vznik čiernych dier je spoľahlivou predpoveďou všeobecnej teórie relativity" a "za objav supermasívneho kompaktného objektu v strede našej galaxie". Penrose prostredníctvom pôsobivých matematických metód dokázal, že čierne diery súvisia s Einsteinovou teóriou relativity, zatiaľ čo Reinhard Genzel a Andrea Ghez svojou prácou nezvratne dokázali, že v strede našej galaxie Mliečna cesta, dnes známej pod názvom Sagittarius A*, sa skutočne nachádza čierna diera.

Aby sme túto tému plne pochopili, musíme poznať niekoľko základných pojmov o čiernych dierach, ako napríklad: "Čo je to čierna diera?"; "Z čoho sa skladá? Kde ju môžeme nájsť?"

Najskôr musíme poznať pojem, ktorý sa často používa v mnohých témach v oblasti astronómie, a to pojem, čo je to časopriestor. Priestoročas je štvorrozmerný mnohoraký priestor, tri rozmery priestoru a jeden rozmer času, v súradnicovom systéme by sme mali (x, y, z, t). Zaujímavým faktom je, že jeden bod v tomto súradnicovom systéme sa nazýva udalosť. Týmto môžeme získať definíciu čiernej diery.

Čierna diera je časopriestorová oblasť kde je gravitácia taká, ale taká silná, že sa z nej nedokáže vymaniť žiadny plyn, prach, častica, dokonca ani svetlo! Všetky sú gravitačnou silou SILNE priťahované do čiernej diery a miznú, odchádzajúc na miesto, ktoré zostáva pre vedcov aj dnes neznáme. Zaujímavé je, že ak sa ani svetlo nedokáže vymaniť z tejto sily, nie je možné vidieť čiernu dieru alebo dokonca vedieť, kde sa nachádza. Je to, ako keby ste sa pokúsili vidieť čierny objekt na čiernom pozadí, nemôžete ho vidieť, alebo ak áno, je to veľmi ťažké. Ako to teda vedci robia?

Teoreticky čierne diery vznikajú zvyčajne vtedy, keď sa na konci svojho života zrúti veľmi hmotná hviezda, oveľa ťažšia ako Slnko. Hmotnosť je veľmi dôležitým faktorom, ktorý rozhoduje o tom, či sa mŕtva hviezda zmení na čiernu dieru alebo neutrónovú hviezdu. Táto superhmotná hviezda je vďaka gravitácii stlačená do veľmi malého priestoru a na vytvorenie čiernej diery môže táto kompaktná hmota podľa všeobecnej teórie relativity deformovať časopriestor.

Táto deformácia časopriestoru vytvára gravitačné zrýchlenie smerujúce do stredu hustého hmotného telesa. V dôsledku tejto sily začnú plyn a častice v blízkosti čiernej diery nadobúdať rotačnú rýchlosť a sú násilne priťahované do čiernej diery. Tento jav sa nazýva Akrečný disk.

Táto gravitačná a trecia sila spôsobuje, že všetky plyny a častice s elektrickým nábojom generujú nielen nárast teploty, ale aj elektromagnetické žiarenie s rôznymi frekvenciami, ako je infračervené alebo röntgenové žiarenie. Vďaka tejto úžasnej vlastnosti je možné "vidieť" čiernu dieru. To je dobré, ale neusnadňuje to prácu vedcov na 100 percent, máte frekvenciu, ktorú môžete sledovať, ale stále nemôžete povedať "aha, pozrite, tam na oblohe je čierna diera". Svetlo čiernej diery nemôžeme považovať za rovnaké ako svetlo obyčajnej hviezdy, sú od seba veľmi odlišné. Dobrou správou však je, že čierny objekt zo začiatku je teraz mierne osvetlený na čiernom pozadí.

Na prvom obrázku čiernej diery vidíme akrečný disk. Čierna diera je v tomto prípade 6,5 milióna krát ťažšia ako naše Slnko a nachádza sa v galaxii Messier 87, 53 miliónov svetelných rokov od Zeme. Obrázok sa podarilo získať vďaka časozbernej práci ôsmich rôznych teleskopov z celého sveta, teleskopu Event Horizon Telescope a niektorým ďalším misiám vesmírnych teleskopov, ktoré spoločne v rovnakom čase zachytili údaje z M87, v apríli 2017. Každý z nich zachytil iné údaje z čiernej diery a potom sa všetko spojilo do jedného obrazu. Môže sa to zdať ako jednoduchá a jednostupňová vec, ale vedci museli tvrdo pracovať, aby úplne pochopili všetky údaje a ako s nimi pracovať, ktorý algoritmus použiť a ako ho použiť.

V článku publikovanom v roku 1997 Genzel ukázal, že zber dát z piatich rôznych rokov, od roku 1992 do roku 1996, zachytáva rýchlo sa pohybujúce hviezdy v bezprostrednej blízkosti Sgr A* a že uprostred týchto hviezd sa nachádza veľmi veľká a ťažká tmavá hmota. "Pri tejto hustote neexistuje stabilná konfigurácia normálnych hviezd, hviezdnych pozostatkov ani podhviezdnych útvarov," uvádza sa v článku (GENZEL a kol., 1997). V závere sa uvádza, že "v jadre Mliečnej dráhy sa musí nachádzať masívna čierna diera".

V ďalšom publikovanom článku v roku 1998 Ghez v rámci dvojročnej štúdie zistil rovnaký vzorec pohyblivých začiatkov na tom istom mieste, ako sa uvádza v článku "vrcholy hustoty hviezdneho povrchu aj rýchlostného rozptylu sú v súlade s polohou kandidáta na čiernu dieru (vtedy ešte kandidáta) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Snímky použité v štúdii boli získané pomocou blízkych infračervených vlnových dĺžok, teda druhu frekvencie, ktorú vyžaruje akrečný disk.

Tu je krátky zoznam týchto článkov:

GENZEL, R. a kol. O povahe tmavej hmoty v strede Mliečnej dráhy. Mesačné zvesti Kráľovskej astronomickej spoločnosti, roč. 291, č. 1, s. 219-234, 11 out. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Dôkaz pre supermasívnu čiernu dieru v strede našej Galaxie. Astrofyzikálny časopis, roč. 509, č. 2, s. 678-686, dez. 1998.

GHEZ, A. M. et al. Meranie vzdialenosti a vlastností centrálnej supermasívnej čiernej diery Mliečnej cesty pomocou hviezdnych dráh. Astrofyzikálny časopis, v. 689, č. 2, s. 1044-1062, dez. 2008.

Nie je vesmír taký krásny?

To všetko je už teraz neuveriteľné, ale stále je toho oveľa viac, ako povedal David Haviland, predseda Nobelovho výboru pre fyziku: "...tieto exotické objekty stále kladú mnoho otázok, ktoré si žiadajú odpovede a motivujú k ďalšiemu výskumu. Nielen otázky o ich vnútornej štruktúre, ale aj otázky o tom, ako testovať našu teóriu gravitácie v extrémnych podmienkach v bezprostrednej blízkosti čiernej diery". A my tu budeme, tešíme sa však na ďalšiu prestávku! Zatiaľ ďakujeme tohtoročným laureátom Roger Penrose, Reinhard Genzel a Andrea Ghez, ste úžasní!

Ak si chcete prečítať aj o práci Rogera Penrosea, tu je niekoľko článkov opisujúcich jeho prácu. Jeden z nich bol publikovaný spolu s legendárnym Stephen Hawking. Tieto články si môžete pozrieť aj tu:

HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time. American Journal of Physics, roč. 65, č. 7, s. 676-676, 1. júla 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Zachovanie energie ako základ relativistickej mechaniky. II. American Journal of Physics, roč. 33, č. 12, s. 995-997, 1. 9. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. Prístup ku gravitačnému žiareniu metódou spinových koeficientov. Journal of Mathematical Physics, roč. 3, č. 3, s. 566-578, 1. mája 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Zachovanie energie ako základ relativistickej mechaniky. American Journal of Physics, roč. 33, č. 1, s. 55-59, 1. 1. 1965.

Ak máte pripravený projekt alebo prezentáciu o akejkoľvek oblasti astronómie, môžete využiť Mind the Graph na zefektívnenie, didaktizáciu a zábavu! Vieme, že je ťažké získať dobré snímky na danú tému, preto sme tu, aby sme vám s tým pomohli, môžete si pozrieť náš obsah o astronómii priamo tu.

V Mind the Graph nájdete všetko, čo potrebujete, a ak nie, pomôžeme vám!

Zlepšime spoločne komunikáciu vo vede! Ste pripravení to vyskúšať?

Nobelova cena a prvý obrázok čiernej diery

Prihláste sa na odber nášho newslettera

O spoločnosti Fabricio Pamplona