Április 10-én a Föld számos pontján egyszerre megtartott, összehangolt sajtótájékoztatókon kürtölték világgá a kutatók, hogy sikerült megörökíteni egy szuper nagytömegű fekete lyuk környezetét és annak árnyékát. Az azóta elhíresült képen mindenekelőtt az M87 galaxis középpontjában található gigantikus fekete lyuk (ideiglenes nevén: M87*) körül hatalmas sebességgel áramló, magas hőmérsékletű porból és gázból álló, a gravitációs lencsehatás miatt eltorzult formájú fényes korongot, no meg a fekete lyuk rávetülő árnyékát látjuk. Legalábbis az asztrofizikusok, várakozásaiknak megfelelően és elméleti következtetésikből kiindulva, így interpretálják a képet, amit teleszkóprendszerek világméretű együttműködése nyomán sikerült összerakni. Nem is csoda: a tőlünk igen távol, vagy 50 millió fényévnyire található sötét, amúgy is minden sugárzást elnyelő objektumról egyetlen távcső képtelen volna érdemleges képet készíteni. Hiába gigantikus méretű a most lekapott fekete lyuk (amibe bőven beleférne Naprendszerünk, annak teljes perifériájával együtt, tömege pedig a Napunkénak 6,5 milliárdszorosa), ilyen távolságból ez is csak egy porszem a Szaharában. Éppen ezért volt szükség a Föld legtávolabbi részén elhelyezkedő teleszkópok és távcsőrendszerek (a mérések idején, 2017-ben még nyolc, jelenleg már egy tucatnyi) szoros, koordinált, sőt, ebben az esetben szó szerint szinkronizált együttműködésére, amit a hangzatos Eseményhorizont Távcső (Event Horizon Telescope) névre kereszteltek, és ami valójában egy globális méretű, virtuális rádióteleszkóp. Nevéhez híven ez korántsem a szemünk számára is látható, sokkal inkább a milliméteres (és néha a szubmilliméteres) rádiótartományban pásztázza az eget. Ráadásul ebben a konkrét esetben a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (VLBI) módszere alapján az összes távcső szigorúan ugyanabban az 1,3 milliméteres hullámhosszon végezte megfigyeléseit – az összehangolt működés eredményeképpen már olyan felbontás érhető el, mintha egy újságot képesek lennénk az óceán túloldaláról is olvasni.
Hogyan lesz a felvételekből kép?
Külön feladat volt a különböző felvételek összeszerkesztése, amin egy 200 fős szakértői stáb dolgozott az MIT fiatal kutatója és oktatója, Katie Bouman vezetésével (róla és mostani munkájáról íme egy 2016-os TED-előadása ).
How to take a picture of a black hole | Katie Bouman
At the heart of the Milky Way, there's a supermassive black hole that feeds off a spinning disk of hot gas, sucking up anything that ventures too close -- even light. We can't see it, but its event horizon casts a shadow, and an image of that shadow could help answer some important questions about the universe.
Ennek a munkának fontos része az ugyanabban az időben az égbolt ugyanarról a parányi szeletéről a rádióspektrumban készült felvételek szétdarabolása (egy Fourier-transzformáció nevű matematikai eljárás segítségével), majd a darabok újbóli összerakása. A képalkotás során nyilvánvalóan szelektálni kell, kiszórni a csupán zajnak értékelendő felvételeket és azokból válogatni, amelyek közel állnak ahhoz, amiként a fekete lyukat az előzetes tudásunk, az asztrofizikusok korábbi számításai alapján elképzeltük. De közben arra is ügyelni kell, hogy ne pusztán az általános relativitáselmélet egyenleteiből levezethető megoldást próbáljuk kirakni önkényesen egy halom képből, amelyek együtt esetleg más eredményt is sugallhatnak. Ezen megfontolások alapján készült a Bouman és munkatársai által kifejlesztett interferometriás algoritmus, ami a távcsöveknek a föld forgásából is következő elmozdulását is figyelembe veszi. Ez az algoritmus a rádióteleszkópok még 2017-ben atomórákkal összehangolva végzett megfigyeléseiből (meg az azokból származó, több terabájtnyi, a speciális, nagy teljesítményű merevlemezeken tárolt és azokkal együtt repülővel szállított adatokból) végül összerakta a sajtóban is publikált képet.
| ||
Kinek ragyog?
A most a nyilvánosság felé nagy csinnadrattával prezentált kutatásnak számos szempontból is kiemelt fontossága lehet. Az egyik magától értetődő: az Einstein-féle általános relativitáselmélet egyik régóta nagy energiákkal kutatott következményéhez, a fekete lyukhoz, a tér extrém görbületéhez végre képet, már most szinte ikonikus ábrázolást rendelhetünk, aminek a jelentőségé, erőteljesen képközpontú korunkban nem lehet kellőképpen hangsúlyozni. Másodsorban a kapott kép nagy mértékben hasonlít azokra a spekulatív természetű illusztrációkra, amelyekkel az Einstein elméleteit, az általános relativitáselméletet továbbinterpretáló asztrofizikusok szemléltették a fekete lyukat és környezetét. E ponton hangsúlyozni kell, hogy az eredeti fekete lyuk koncepció megszületését is legalább annyira köszönhetjük az általános relativitáselmélet egyenletrendszerére 1916 elején speciális megoldást adó német csillagásznak, Karl Schwarzschildnak, aki a tudományos legendárium szerint az első világháborús orosz fronton, a lövészárokban dolgozta ki az eseményhorizontján belülről semmilyen sugárzást ki nem engedő sötét csillag koncepcióját. Autoimmun betegség miatt bekövetkezett korai halála után azután róla nevezték el az egy adott tömeggel egyenértékű fekete lyuk eseményhorizontjának sugarát (ez a Schwarzschild-sugár). Ennek a mostani felvétel értékelése szempontjából is jelentősége van, ha ugyanis lehetőségünk adódik a gömbszimmetrikusnak elképzelt fekete lyuk sugarát megmérni, akkor kiszámolhatjuk az ehhez a Schwarzschild-sugárhoz tartozó tömeg, vagyis a fekete lyukat létrehozó égitest tömegének értékét (amit most meg is tettek). De még a fekete lyuk árnyéka körüli félgyűrűk alakja is arra utal, hogy a hatalmas tömegű fekete lyuk óriási erejű gravitációjának hatására jóval az eseményhorizonton kívül is meggörbül a tér és ez alaposan eltéríti a fekete lyuk körül (például mellette) haladó elektromágneses sugárzás útját. Az anyagkorong általunk észlelt fényességére és az onnan érkező sugárzás hullámhosszára az is hat, hogy gyors, örvénylő mozgása során éppen a mi irányunkba halad-e a por- és gáztömeg – és lám, a mostani képen látható anyagkorong fényesebb „déli” felében áramló anyag éppen felénk mozog! (A fekete lyuk most megalkotott képének megértéséhez ajánljuk mindenkinek ezt a videót).
How to Understand the Image of a Black Hole
We have just seen the first image of a black hole, the supermassive black hole in the galaxy M87 with a mass 6.5 billion times that of our sun. But what is that image really showing us? This is an awesome paper on the topic by J.P.
A görbült pályákon mozgó fotonok magyarázzák azt is, miért tűnik nagyobbnak a fekete lyuknak a képen látható árnyéka, mint maga az eseményhorizont. Ebből a szempontból a most publikált kép inkább azt látszik alátámasztani, hogy az általános relativitáselmélet következtetései, előrejelzései jól működnek az extrém nagy gravitációjú tömegközéppontok, a teret felgyűrő fekete lyukak körül is. Az már csak adalék mindehhez, hogy a távoli, szuper nagytömegű fekete lyuk fénylő akkréciós korongjának vizsgálata alapján a kutatók következtetni tudnak arra is, miként viselkednek ezek az óriási sebesség miatt felizzó akkréciós korongok más fekete lyukak körül. Mennyiben és milyen körülmények között táplálják saját fekete lyukaikat, pontosan minek köszönhető a felfénylésük - és miért nem fénylik fel más fekete lyukak, például ami galaxisunkban megbújó Saggitarius A* nevű szörnyeteg fekete lyuk környezete. És végül, talán választ kaphatunk arra is, mi a kapcsolat a korongokból a fekete lyukba zuhanó anyag viselkedése illetve a fekete lyukak körül nagy sebességgel keringő por- és gázkorong forgástengelye mentén, látszólag paradox módon kilépő nagy energiájú, közel fénysebességű ionizált anyaghullámok (az úgynevezett relativisztikus jetek) között. Egy ilyen ionizált anyaghullámot, kilövellést láthatunk az alábbi képen, ami pont a Messier 87 óriás galaxis magját ábrázolja, a kék jet forrása pedig pontosan az itt rejtve maradó fekete lyuk, amit végül sikerült lekapni.
| ||
Űrhajós leszek
Persze akadhat olyan is közöttünk, akit csak az érdekelt, hogy a most készült felvétel miként aránylik a filmekben már látott, jó esetben fizikus, csillagász szakértők számításai alapján által felvázolt fekete lyuk-ábrázolásokhoz.
Jelentés a nyúl üregéből
Fekete lyukak, eseményhorizont, szingularitás, az idő relativisztikus lassulása, féreglyuk. Megannyi rejtélyes és izgalmas fizikai fogalom, mely ezúttal egy film kapcsán került elő. Ritka, hogy egy sci-fi alkotás saját asztrofizikus-konzultáns segítségével készül - nos, Christopher Nolan filmje, a Csillagok között (Interstellar) joggal büszkélkedhet ezzel.
A Csillagok között (Kip Thorne jeles asztrofizikus által elképzelt) Gargantuája például szóba jöhet összehasonlítási alap gyanánt is. Nos, ez utóbbiról azért jó tudni, hogy úgy született, hogy a rendező (Christopher Nolan) aggodalmai miatt valamennyi szóba jöhető fizikai hatást nem szerették volna érvényre juttatni, mert az csak összezavarná a vizuális orgiától már úgy is szédült a mozinézőt. ezen felül kihagyták az akkréciós koron közepéből induló relativisztikus sebességű anyagkilövelléseket (jeteket), mert ezek azonnal megölnék a fekete lyuk körül utazó űrhajósokat. De azért a filmszalagra rögzített végeredmény jól felismerhető: egy óriási, nagy sebességgel forgó fekete lyukhoz tartozó viszonylag vékony, „egyenlítői helyzetű” (és annak síkjából is szemlélt!) akkréciós korongnak a görbült tér gravitációs lencsehatása által előállított képét láthatjuk. Ez végül is, logikáját tekintve, jól közelíti a most publikált képet - csak éppen ez utóbbi egészen más szögből készült.
Interstellar Black hole scene
Black Hole scene from Interstellar (2014). Sorry for the Bandicam watermark by the way. All content shown in this video belongs to Warner Bros.
