Αστροφυσική, Διάστημα Θεωρίες φυσικής

Είμαστε έτοιμοι να δούμε την πρώτη φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας

Written by Δ.Μ.

Φαίνεται ότι η ημέρα έφτασε! Στις 10 Απριλίου 2019, η ομάδα πίσω από το πρότζεκτ EHT και οι συνδεδεμένοι επιστημονικοί φορείς πρόκειται να παρουσιάσουν τα αποτελέσματα που περιγράφουν ως “πρωτοποριακά” και θα καλυφθεί ζωντανά σε όλο τον κόσμο. Για χρόνια, το Τηλεσκόπιο του Ορίζοντα Γεγονότων (EHT) δούλευε για να μας φέρει την πρώτη τηλεσκοπική φωτογραφία του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Πράγματι παρόλο της δημοτικότητας της σε όλο τον κόσμο, δεν έχουμε δει ποτέ μια μια μαύρη τρύπα . Και ο λόγος για αυτό είναι γελοία απλός.

Share

Φαίνεται ότι η ημέρα έφτασε! Στις 10 Απριλίου 2019, η ομάδα πίσω από το πρότζεκτ EHT και οι συνδεδεμένοι επιστημονικοί φορείς πρόκειται να παρουσιάσουν τα αποτελέσματα που περιγράφουν ως “πρωτοποριακά” και θα καλυφθεί ζωντανά σε όλο τον κόσμο. Για χρόνια, το Τηλεσκόπιο του Ορίζοντα Γεγονότων (EHT) δούλευε για να μας φέρει την πρώτη τηλεσκοπική φωτογραφία του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.  Πράγματι παρόλο της δημοτικότητας της σε όλο τον κόσμο, δεν έχουμε δει ποτέ μια μια μαύρη τρύπα . Και ο λόγος για αυτό είναι γελοία απλός.

gargantua-interstellar-black-holeΗ μαύρη τρύπα Gargantua στην ταινία Interstellar

Οι μαύρες τρύπες, βλέπετε, είναι κυριολεκτικά αόρατες. Η έλξη της βαρύτητας τους είναι τόσο μεγάλη που, πέρα ​​από ένα συγκεκριμένο σημείο, δεν διαφεύγει τίποτα. Αυτό περιλαμβάνει και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία- όπως οι ακτίνες Χ, το υπέρυθρο φως, το ορατό φως και τα ραδιοκύματα – που θα μας επιτρέψουν να εντοπίσουμε άμεσα το τεράστιο αντικείμενο.

Αυτό το σημείο μη επιστροφής ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, και εκτός από το ότι είναι μια τρομακτική τοποθεσία που δεν θέλει να βρεθεί κανείς ποτέ, είναι επίσης και το κλειδί για να κάνουμε πραγματική την απεικόνιση μιας μαύρης τρύπας.

Παρόλο που ενδέχεται να μην μπορέσουμε να δούμε την ίδια τη μαύρη τρύπα, υπάρχει η πιθανότητα να φωτογραφηθεί ο ορίζοντας γεγονότων της. Και είμαστε πολύ προσεκτικοί για να δούμε τα αποτελέσματα χάρη στο  Τηλεσκόπιο  (EHT), που αναμένεται να ανακοινωθεί δημόσια την Τετάρτη.

Στη συνεργασία Event Horizon Telescope ενώνονται πολλοί ραδιοφωνικοί δεκτών που βρίσκονται σε ολόκληρο τον πλανήτη, μεταξύ άλλων στο Νότιο Πόλο, στις ΗΠΑ, στη Χιλή και στις γαλλικές Άλπεις. Λειτουργεί χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως Πολύ Μεγάλης Διάρκειας Βασική Συμβολομετρία (VLBI) , που σημαίνει ότι το δίκτυο των δεκτών θα επικεντρωθεί στα ραδιοκύματα που εκπέμπονται από ένα συγκεκριμένο αντικείμενο στο διάστημα ταυτόχρονα.  Για μια μαύρη τρύπα, θα επικεντρωθούν σε ραδιοκύματα με μήκος κύματος 1,3 χιλιοστών (230 GHz), τα οποία τους δίνουν την καλύτερη ευκαιρία να διασχίσουν τα τυχόν νέφη αερίου και σκόνης που εμποδίζουν να δούμε τη μαύρη τρύπα.

Και επειδή υπάρχουν τόσες κεραίες είναι όλες συντονισμένες σε ένα μόνο σημείο, η δε ανάλυση του τηλεσκοπίου θα πρέπει να είναι 50  μικρά του δευτερολέπτου ενός τόξου. Για να το καταλάβουμε, είναι το ισοδύναμο της δυνατότητας να δούμε ένα γκρέιπφρουτ στην επιφάνεια της Σελήνης.

Αυτή η ακρίβεια είναι σημαντική, γιατί ο πρώτος στόχος θα είναι η τεράστια μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας, που ονομάζεται Τοξότης Α*, που στην πραγματικότητα είναι στο μέγεθος μιας κεφαλής της καρφίτσας σε νυχτερινό ουρανό. Ποτέ βεβαίως δεν έχουμε παρατηρήσει απευθείας τον Τοξότη A* , αλλά οι ερευνητές γνωρίζουν ότι υπάρχει γιατί επηρεάζει έντονα την τροχιά των κοντινών αστεριών.

Με βάση τη συμπεριφορά αυτών των αστεριών, οι ερευνητές προβλέπουν ότι αυτή η μαύρη τρύπα έχει περίπου 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου μας, αλλά με διάμετρο του ορίζοντα γεγονότων της να είναι μόλις 20 εκατομμύρια χιλιόμετρα.  Σε απόσταση περίπου 26.000 έτη φωτός μακριά από τη Γη, είναι ένας πολύ πολύ μικρός στόχος. Αλλά το Event Horizon Telescope στοχεύει να παρατηρήσει το άμεσο περιβάλλον γύρω από τη μαύρη τρύπα και θα πρέπει να είναι σε θέση να έχει αρκετή ανάλυση για να δει την ίδια τη μαύρη τρύπα.

JPLuminet2004Αλλά πολύ πριν από το EHT, υπήρχε ο Γάλλος αστροφυσικός Jean-Pierre Luminet (1951). Μέχρι το 1978, μας έδωσε ήδη αυτό που θα μπορούσε να θεωρηθεί ως η πρώτη εικόνα του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.

Δεν είναι, φυσικά, μια πραγματική φωτογραφία. Ο Luminet, του οποίου το υπόβαθρο ήταν στα μαθηματικά, χρησιμοποίησε το σύνολο δεξιοτήτων του για να εκτελέσει την πρώτη προσομοίωση του υπολογιστή για το τι μπορεί να μοιάζει μια μαύρη τρύπα σε έναν παρατηρητή, χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή IBM 7040 με εκείνες τις παλιές ένδοξες τρυπητές κάρτες της δεκαετίας του 1960 .

“Την εποχή εκείνη οι μαύρες τρύπες ήταν ένα πολύ εξωτικό θέμα και οι περισσότεροι αστρονόμοι δεν πίστευαν στην ύπαρξή τους”, δήλωσε ο Luminet.

“Ήθελα να διερευνήσω την περίεργη φυσική των μαύρων οπών και να προτείνω συγκεκριμένους μηχανισμούς που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εμφάνιση έμμεσων υπογραφών της ίδιας της ύπαρξής τους. Επίσης, για να παίξω και λίγο με το όνομά μου “Luminet” μου άρεσε πολύ η ιδέα του πώς ένα τέλεια μη – φωτεινό αντικείμενο μπορεί να προκαλέσει φαινόμενα που παρατηρούνται. ”

Τα όποια δεδομένα που επέστρεψε πίσω ο υπολογιστής, ο Luminet τα χρησιμοποίησε για να σχεδιάσει με προσοχή σε χαρτί ο ίδιος τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας.

black-hole-jean-pierre-luminetΑυτή η ασαφής εικόνα – όπως φαίνεται παραπάνω – δείχνει με τι μπορεί να μοιάζει ένας επίπεδος δίσκος υλικού που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα σαν να ήμαστε αρκετά κοντά για να τον δούμε. Δεν φαίνεται επίπεδος, επειδή η έντονη βαρύτητα της μαύρης τρύπας προκαλεί την κάμψη του φωτός γύρω της.

“Πράγματι, το βαρυτικό πεδίο καμπυλώνει τις φωτεινές ακτίνες κοντά στη μαύρη τρύπα τόσο πολύ ώστε να αποκαλύπτεται το πίσω μέρος του δίσκου”, εξηγεί ο Luminet .

“Η κάμψη των φωτεινών ακτίνων παράγει επίσης μια δευτερεύουσα εικόνα που μας επιτρέπει να βλέπουμε την άλλη πλευρά του δίσκου συσσώρευσης του υλικού στην αντίθετη πλευρά της μαύρης τρύπας από τον παρατηρητή”.

Ο Luminet ήταν ο πρώτος, αλλά δεν ήταν ο μόνος που αιχμαλωτίστηκε από το μυστήριο με του τι μπορεί να μοιάζει μια μαύρη τρύπα. Κι άλλοι προσπάθησαν να απεικονίσουν αυτά τα αντικείμενα έκτοτε και έβαλαν ένα λιθαράκι προσπαθώντας να την απεικονίσουν. 

Η ταινία Interstellar του Christopher Nolan του 2014 επαινέθηκε για την υποτιθέμενη επιστημονικά ακριβή απεικόνιση μιας μαύρης τρύπας, βασισμένη σε μεγάλο βαθμό στο έργο που διεξήχθη στις προηγούμενες δεκαετίες από τον Luminet και δημιουργήθηκε σε συνεννόηση με τον θεωρητικό φυσικό Kip Thorne του Caltech.

Τελικά, η ταινία επέλεξε μια απλοποιημένη έκδοση της εικόνας, για να είναι λιγότερο συγκεχυμένη και να φαίνεται όμορφη στην οθόνη.

Ήταν σίγουρα εντυπωσιακή, αλλά, σύμφωνα με τον Luminet και τον Thorne, δεν ήταν πραγματικά με αυτό που θα έμοιαζε μια μαύρη τρύπα.

Οι πρωτεύουσες και δευτερεύουσες εικόνες που δημιουργούνται από το πεδίο βαρύτητας είναι παρούσες και σωστές. Αλλά, σε αντίθεση με την εικόνα του Luminet, η φωτεινότητα του δίσκου της ταινίας Interstellar είναι ομοιόμορφη.

gargantua-concept-kip-thorneΜια προσομοίωση μιας μαύρης τρύπας από μια δημοσίευση του Kip Thorne και των συναδέλφων του, σχετικά με τις τεχνικές Computer Graphic  που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του Gargantua.

“Η ισχυρή ασυμμετρία της φαινόμενης φωτεινότητας”, γράφει ο Luminet , “που είναι η κύρια υπογραφή μιας μαύρης τρύπας, το μόνο ουράνιο αντικείμενο που μπορεί να δώσει στις εσωτερικές περιοχές ενός δίσκου προσαύξησης μια ταχύτητα περιστροφής κοντά στην ταχύτητα του φωτός και να προκαλέσει ένα πολύ ισχυρό αποτέλεσμα Doppler. ”

Ο ίδιος έγραψε μια δημοσίευση 15 σελίδων για την επιστήμη της ταινίας, αλλά και ο ίδιος ο Thorne έγραψε ένα βιβλίο  για το ίδιο θέμα.

Ίσως παρατηρήσετε ότι όλες αυτές οι εκδόσεις μιας μαύρης οπής φαίνονται πολύ διαφορετικές από τον άλλο τύπο μαύρης τρύπας που ίσως έχετε δει στην ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων από το LIGO το 2016 .

Two Black Holes Merge into One

Μια προσομοίωση που δείχνει τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών, ένα εξαιρετικά ισχυρό συμβάν που ανιχνεύτηκε για πρώτη φορά από το παρατηρητήριο βαρυτικών LIGO. Το LIGO ανίχνευσε κύματα βαρύτητας ή κυματισμούς στο διάστημα και στο χρόνο που δημιουργήθηκαν καθώς οι μαύρες τρύπες στρέφονταν η μία προς την άλλη, συγκρούστηκαν και συγχωνεύθηκαν. Αυτή η προσομοίωση δείχνει πώς η συγχώνευση θα εμφανιζόταν στα μάτια μας αν μπορούσαμε να ταξιδέψουμε με κάποιο τρόπο με ένα διαστημόπλοιο για μια πιο προσεκτική ματιά. Δημιουργήθηκε με την επίλυση εξισώσεων από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του LIGO.

 

Αυτά βασίζονται στο έργο του αστροφυσικού Alain Riazuelo , του Γαλλικού Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας (CNRS) και της Διεθνούς Αστρονομικής Ένωσης, που ήταν ο πρώτος που προσομοίωσε μια τέτοια μαύρη τρύπα το 2016.

Ο λόγος για τον οποίο οι μαύρες τρύπες φαίνονται διαφορετικές είναι επειδή η δημιουργία παρουσιάζει μια μαύρη τρύπα σε κατάσταση αναμονής – χωρίς τον δίσκο προσαύξησης.

Εξαφανισμένη από το περίβλημα της σκόνης και του αερίου, η βαρύτητα της μαύρης τρύπας στρεβλώνει τον χώρο πίσω από αυτήν. Αν ήμασταν δε αρκετά κοντά για να δούμε τη μαύρη τρύπα σαν αυτή, θα έπρεπε να είμαστε σε κίνηση, που έχουμε συλληφθεί από τη βαρύτητά της σε τροχιά. Αυτός είναι ο λόγος που φαίνεται να κινείται σε όλο το πεδίο των αστεριών.

Προσομοίωση της τροχιάς μιας μαύρης τρύπας από τον Alain Riazuelo

Στην περίπτωση δύο μαύρων οπών μαζί, όπως φαίνεται στο βίντεο του LIGO, κάθε μαύρη τρύπα έχει μια μικρή δευτερεύουσα εικόνα της άλλης μαύρης τρύπας σχήματος σαν μπανάνα, που εμφανίζεται πίσω της. (Η βαρύτητα είναι καθαρή)

Το πρότζεκτ EHT επικεντρώνεται στην υπερβαρέα μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας, Τοξότη A*. Δεν ξέρουμε τι θα δούμε. είναι πιθανό τα δεδομένα να επιστρέψουν μόνο μερικά θολά εικονοστοιχεία. (Εάν συμβεί αυτό, τότε θα συμμετάσχουν αργότερα περισσότερα τηλεσκόπια και οι επιστήμονες θα προσπαθήσουν ξανά.)

Δεδομένου ότι η μαύρη τρύπα είχε ένα δίσκο συσσώρευσης κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων, προσβλέπουμε σε κάτι που μοιάζει πολύ με το έργο του Luminet.

Επιπλέον, ελπίζουμε το πρότζεκτ να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε περισσότερα σχετικά με την πόλωση της ακτινοβολίας, τη δομή του μαγνητικού πεδίου και τις σχετικιστικές εκτοξεύσεις της μαύρης τρύπας. Έχουν ήδη παραχθεί στοιχεία για τη δομή του χώρου γύρω από τη μαύρη τρύπα .

Αλλά ποιο είναι το πιο συναρπαστικό μέρος για το έργο του EHT; Συμφωνούμε εντελώς με τον Luminet σε αυτό το θέμα.

“Η φωτογραφία του δίσκου προσαύξησης (συσσώρευσης)” λέει. Και δεν μπορούμε να περιμένουμε.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share