Mezinárodní síť rádiových dalekohledů vytvořila vůbec první detailní obraz stínu černé díry, který vědci odhalili dnes ráno (10. dubna). Spolupráce, zvaná Event Horizon Telescope, potvrdila desetiletí předpovědí, jak se bude světlo chovat kolem těchto temných objektů, a připravila půdu pro novou éru astronomie černé díry.
„Od stupnice od nuly po úžasné, bylo to úžasné,“ řekla Erin Bonningová, astrofyzikka a výzkumná pracovnice na černé díře na Emory University, která se nezúčastnila zobrazovacího úsilí.
„To znamená, že jsem to očekávala,“ řekla Live Science.
Oznámení, které škádlilo asi týden a půl dopředu, se podařilo být neuvěřitelně vzrušující a téměř úplně postrádající překvapivé detaily nebo novou fyziku. Fyzika se nerozpadla. Nebyly odhaleny žádné neočekávané rysy černých děr. Samotný obrázek byl téměř dokonalým řešením ilustrací černých děr, na které jsme zvyklí ve vědě a pop kultuře. Velký rozdíl je v tom, že je to hodně rozmazané.
Bylo zde několik důležitých otázek týkajících se černých děr, které zůstaly nevyřešeny, řekl Bonning.
Jak černé díry produkují jejich obrovské proudy horké, rychlé hmoty?
Všechny superhmotné černé díry mají schopnost žvýkat okolní hmotu, absorbovat většinu z nich kolem svých horizontů událostí a zbytek vyplivnout do vesmíru rychlostí blízkou světlu v planoucích věžích, které astrofyzici nazývají „relativistické trysky“.
A černá díra ve středu Panny A (nazývaná také Messier 87) je známá svými působivými tryskami, chrlící hmotou a zářením po celém vesmíru. Jeho relativistické trysky jsou tak obrovské, že mohou zcela uniknout okolní galaxii.
A fyzikové znají široké tahy toho, jak k tomu dochází: Materiál se zrychluje na extrémní rychlosti, když dobře padá do gravitace černé díry, pak část unikne a přitom si zachovává setrvačnost. Vědci však nesouhlasí s podrobnostmi, jak k tomu dochází. Tento obrázek a související články zatím neposkytují žádné podrobnosti.
Bonning řekl, že to bude otázkou propojení pozorování dalekohledu Event Horizons Telescope - které pokrývají poměrně malé množství prostoru - s mnohem většími obrázky relativistických proudů.
Zatímco fyzici zatím nemají odpovědi, řekla, je tu velká šance, že přijdou brzy - zejména jakmile spolupráce vytvoří obrazy druhého cíle: supermasivní černá díra Střelec A * ve středu naší vlastní galaxie, která neprodukuje trysky jako Panna A. Porovnání obou obrazů by mohla nabídnout určitou jasnost.
Jak do sebe zapadají obecná relativita a kvantová mechanika?
Kdykoli se fyzici spojí, aby mluvili o skutečně vzrušujícím novém objevu, můžete očekávat, že někdo uslyší, že by to mohlo vysvětlit „kvantovou gravitaci“.
To proto, že kvantová gravitace je ve fyzice velkou neznámou. Asi sto let fyzici pracovali pomocí dvou různých sad pravidel: Obecná relativita, která pokrývá velmi velké věci, jako je gravitace, a kvantová mechanika, která pokrývá velmi malé věci. Problém je v tom, že tyto dvě knihy pravidel si navzájem odporují. Kvantová mechanika nedokáže vysvětlit gravitaci a relativita nemůže vysvětlit kvantové chování.
Jednoho dne fyzici doufají, že je spojí dohromady do velké sjednocené teorie, pravděpodobně zahrnující nějakou kvantovou gravitaci.
A před dnešním oznámením existovaly spekulace, že by to mohlo zahrnovat nějaký průlom v této věci. (Pokud by se předpovědi obecné relativity nevyskytovaly na obrázku, posunula by se míč kupředu.) Během zpravodajského briefingu od National Science Foundation, Avery Broderick, fyzik na University of Waterloo v Kanadě a spolupracovník v projektu navrhl, že by tyto druhy odpovědí mohly přijít.
Ale Bonning byl vůči tomuto tvrzení skeptický. Tento obrázek byl zcela nepřekvapivý z hlediska obecné relativity, takže nenabízel žádnou novou fyziku, která by mohla uzavřít propast mezi dvěma poli, řekl Bonning.
Stále není bláznivé, že lidé doufají v odpovědi z tohoto druhu pozorování, řekla, protože okraj stínu černé díry přináší relativistické síly do malých prostorů kvantové velikosti.
"Očekávali bychom, že kvantová gravitace uvidíme velmi, velmi blízko horizontu události nebo velmi, velmi brzy v ranném vesmíru," řekla.
Ale při stále nejasném rozlišení dalekohledu Event Horizons Telescope, řekla, nejspíš nenajdeme takové druhy efektů, a to ani při příchozích upgradech.
Byly teorie Stephena Hawkinga stejně správné jako Einsteinovy?
Fyzikem Stephenem Hawkingem byl na počátku fyziky největším přínosem ve fyzice myšlenka „Hawkingova záření“ - černé díry ve skutečnosti nejsou černé, ale časem vyzařují malá množství záření. Výsledek byl nesmírně důležitý, protože ukázal, že jakmile černá díra přestane růst, začne se velmi pomalu zmenšovat ze ztráty energie.
Ale Event Horizons Telescope tuto teorii nepotvrdil ani nepopřel, řekl Bonning, ne že by to někdo očekával.
Obrovské černé díry jako ta ve Virgo A, řekla, emitují jen minimální množství Hawkingova záření ve srovnání s jejich celkovou velikostí. I když naše nejpokrokovější nástroje nyní dokážou detekovat jasná světla svých horizontů událostí, existuje jen malá šance, že budou někdy škádlit ultra-matnou záři povrchu superhmotné černé díry.
Tyto výsledky, řekla, budou pravděpodobně pocházet z nejmenších černých děr - teoretických objektů s krátkou životností, které jsou tak malé, že byste mohli do své ruky uzavřít celý horizont události. Díky možnosti podrobných pozorování a mnohem dostupnějšího záření ve srovnání s jejich celkovou velikostí by lidé nakonec mohli přijít na to, jak jej vyrobit nebo najít a detekovat jeho záření.
Co jsme se vlastně z tohoto obrázku naučili?
Nejprve se fyzikové dozvěděli, že Einstein měl opět pravdu. Okraj stínu, pokud to vidí dalekohled Event Horizons, je dokonalým kruhem, stejně jako fyzici 20. století pracující s Einsteinovými rovnicemi obecné relativity.
„Nemyslím si, že by někdo měl být překvapen, když prochází další test obecné relativity,“ řekl Bonning. "Kdyby šli na jeviště a řekli, že se obecná relativita zlomila, spadl bych ze své židle."
Výsledkem s bezprostřednějšími, praktičtějšími důsledky, řekla, bylo, že obraz umožnil vědcům přesně změřit hmotnost této superhmotné černé díry, která leží 55 miliónů světelných let v srdci galaxie Panna A. Je to 6,5 miliardkrát hmotnější než naše slunce.
To je hodně, řekl Bonning, protože by to mohlo změnit způsob, jakým fyzici váží supermasivní černé díry v srdcích jiných, vzdálenějších nebo menších galaxií.
Právě teď mají fyzici docela přesné měření hmotnosti supermasivní černé díry v srdci Mléčné dráhy, řekl Bonning, protože mohou sledovat, jak se její gravitace pohybuje jednotlivými hvězdami v jejím sousedství.
Ale v jiných galaxiích naše dalekohledy nevidí pohyby jednotlivých hvězd, řekla. Fyzici jsou tak uvázáni drsnějšími měřeními: Jak hmota černé díry ovlivňuje světlo přicházející z různých vrstev hvězd v galaxii, nebo jak její hmota ovlivňuje světlo přicházející z různých vrstev volně plovoucího plynu v galaxii.
Ale tyto výpočty jsou nedokonalé, řekla.
„Musíte modelovat velmi složitý systém,“ řekla.
A tyto dvě metody nakonec přinášejí poněkud odlišné výsledky v každé pozorované fyzice galaxií. Ale alespoň pro černou díru v Panně A víme, že jedna metoda je správná.
"Naše stanovení 6,5 miliardy solárních hmot skončí přistáním přímo na vrcholu těžšího stanovení hmotnosti," řekla Sera Markoff, astrofyzikka z Amsterodamské univerzity a spolupracovník na projektu.
To neznamená, že by fyzici jen přistoupili k velkému přístupu k měření hmotností černých děr, řekl Bonning. Nabízí však důležitý datový bod pro zdokonalení budoucích výpočtů.
