Długa, żmudna praca naukowców z całego świata stworzyła pierwszy bezpośredni obraz horyzontu zdarzeń czarnej dziury, supermasywnego potwora zwanego M87.
Ten obraz potwierdził wiele naszych pomysłów na temat czarnych dziur.
Ale nauka nie skończyła się, gdy pojawiła się fotografia. Naukowcy przeprowadzili obliczenia na podstawie tego, czego dowiedzieli się o M87 w połączeniu z ogólną teorią względności, aby dalej przewidzieć, jak pewnego dnia zobaczymy szczegółowo te obiekty.
Czarne dziury są niesamowicie intensywne grawitacyjnie. Nie tylko są tak masywne, że nawet prędkość światła jest zbyt mała, aby uniknąć przyciągania grawitacyjnego, ale także zakrzywiają ścieżkę światła wokół siebie, poza horyzontem zdarzeń.
Jeśli przechodzący foton znajdzie się zbyt blisko, znajdzie się na orbicie wokół czarnej dziury. Tworzy to tak zwany „pierścień fotonowy” lub „sfera fotonowa”, doskonały pierścień światła, który ma otaczać czarną dziurę wzdłuż wewnętrznej krawędzi dysku akrecyjnego, ale poza horyzontem zdarzeń.
Jest również znana jako najbardziej stabilna orbita wewnętrzna i możesz ją zobaczyć na poniższym obrazku, stworzonym przez astrofizyka Jean-Pierre'a Lumineta w 1978 roku.
(Jean-Pierre Luminet)
Modele otoczenia czarnej dziury sugerują, że pierścień fotoniczny powinien tworzyć złożoną podstrukturę złożoną z nieskończonych pierścieni światła – trochę jak efekt, który widzisz w nieskończonym lustrze.
„Obraz czarnej dziury w rzeczywistości zawiera zagnieżdżone serie pierścieni” – wyjaśnia astrofizyk Michael Johnson z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
„Każdy kolejny pierścień ma mniej więcej taką samą średnicę, ale staje się coraz bardziej„ ostry ”, ponieważ jego światło obraca się kilka razy wokół czarnej dziury, zanim dotrze do obserwatora”.
(Teleskop Event Horizon)
Na tym pierwszym historycznym zdjęciu M87 (powyżej) widzimy dysk akrecyjny – świecący pomarańczowo-złoty kawałek. Czarna część w środku to cień czarnej dziury. W rzeczywistości nie możemy zobaczyć sfery fotonowej, ponieważ rozdzielczość nie jest wystarczająco wysoka, aby ją dostrzec, ale musi być ustawiona wzdłuż krawędzi cienia czarnej dziury.
Gdybyśmy mogli to zobaczyć, to ten pierścień powie nam bardzo ważne rzeczy o czarnej dziurze. Rozmiar pierścienia może nam powiedzieć o masie, rozmiarze i prędkości czarnej dziury. Możemy je zidentyfikować na podstawie dysku akrecyjnego, ale pierścień fotonowy pozwoliłby nam jeszcze bardziej ograniczyć dane w celu uzyskania dokładniejszych pomiarów.
„Każdy pierścień składa się z fotonów, soczewkowanych na ekranie obserwatora po ich zebraniu przez powłokę fotoniczną z dowolnego miejsca we Wszechświecie” – piszą naukowcy w artykule.
Dlatego w wyidealizowanym środowisku bez absorpcji każdy pierścień zawiera oddzielny wykładniczo zniekształcony obraz całego wszechświata, a każdy kolejny pierścień obejmuje widzialny wszechświat. Ten zestaw jest podobny do materiału filmowego, który rejestruje historię widzialnego wszechświata widzianego z czarnej dziury ”.
Dlatego Johnson i jego zespół wykorzystali symulacje, aby określić, czy pierścienie fotonowe można wykryć w przyszłych obserwacjach. Odkryli, że można to zrobić, chociaż nie będzie to łatwe.
Strzał M87 był wyczynem pomysłowości i współpracy. Teleskopy na całym świecie pracowały razem nad stworzeniem bardzo długiego podstawowego interferometru zwanego teleskopem horyzontu zdarzeń, w którym można obliczyć dokładne odległości i różnice czasowe między teleskopami w szyku, aby skleić ich obserwacje. Jest to – w bardzo, bardzo prosty sposób – jak jeden teleskop wielkości Ziemi.
„Naprawdę zaskoczyło nas to, że zagnieżdżone pierścienie są prawie niewidoczne gołym okiem na zdjęciach – nawet na zdjęciach doskonałych – ale są silnymi i wyraźnymi sygnałami dla układów teleskopów zwanych interferometrami” – powiedział Johnson.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Science Advances.
Źródła: Zdjęcie: Fotony krążące wokół czarnej dziury. (Nicole R. Fuller / NSF)