Τρία χρόνια μετά την πρώτη απεικόνιση του περιβάλλοντος της μαύρης τρύπας στο κέντρο του γαλαξία Μ87, η κοινοπραξία του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων ολοκλήρωσε και έδωσε στη δημοσιότητα την πρώτη εικόνα της μελανής οπής που βρίσκεται στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία.Οι προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας επιβεβαιώνονται για άλλη μια φορά και ανοίγει ο δρόμος για καλύτερη κατανόηση των συνθηκών που επικρατούν γύρω από τις μαύρες τρύπες.
Αστρικές και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες
Η δυνατότητα ύπαρξης μελανών οπών προέκυψε από τις προβλέψεις της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας, η οποία δημοσιεύτηκε από τον Αϊνστάιν το 1916 και περιγράφει το αποτέλεσμα της μάζας των ουρανίων σωμάτων στη γεωμετρία του χωροχρόνου. Σύμφωνα με τη θεωρία, το πολύ ισχυρό βαρυτικό πεδίο μιας μελανής οπής καμπυλώνει το χωρόχρονο γύρω του σε τέτοιο βαθμό, ώστε η διαδρομή που ακολουθεί το φως του να μην του επιτρέπει να διαφύγει. Θα πρέπει, πάντως να τονιστεί ότι οι μελανές οπές δεν είναι τεράστιες ρουφήχτρες που απορροφούν τα πάντα γύρω τους. Το πεδίο βαρύτητάς τους μειώνεται με την απόσταση, με αποτέλεσμα σε πολύ μακρινές αποστάσεις από αυτές ναμην έχει δραματική επίδραση. Ωστόσο, σε μια ακτίνα,που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, κανένα αντικείμενο δεν ξεφεύγει από τη βαρυτική έλξη μιας μαύρης τρύπας, ενώ το φως που δεν έχει μάζα μπορεί να «ξεφύγει» από αυτή έξω από μια περιοχή που ονομάζεται ακτίνα ή σφαίρα φωτονίων. Πάνω σε αυτή την οριακή επιφάνεια, τα φωτόνια εκτρέπονται από τη μελανή οπή με τέτοιο τρόπο ώστε να κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από αυτή, σχηματίζοντας έναν φωτεινό δακτύλιο.
Για τη δημιουργία μιας μελανής οπής απαιτείται η συμπίεση τεράστιας ποσότητας ύλης σε πολύ μικρό χώρο. Κάτι τέτοιο συμβαίνει, για παράδειγμα, στα τελευταία στάδια ζωής κάποιων αστέρων, μετά από μια έκρηξη υπερκαινοφανούς. Οι μελανές οπές που δημιουργούνται με αυτό τον τρόπο ονομάζονται αστρικές και είναι σχετικά μικρότερης μάζας. Καθώς η πλειονότητα των αστεριών βρίσκεται σε ζεύγη ή ομάδες, οι αστρικές μελανές οπές μπορεί να είναι μέλη διπλών συστημάτων αστέρων, περιστρεφόμενες γύρω από άλλα αστέρια, αστέρες νετρονίων η μελανές οπές. Σε αυτές τις αλληλεπιδρασεις έχουμε συχνά γεγονότα συγχώνευσης τα οποία παράγουν εκπομπή ακτίνων Χ και βαρυτικών κυμάτων, όπως αυτά που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα από τα μεγάλα πειράματα συμβολομετρίας.
Εκτός, όμως, από τις αστρικές μελανές οπές υπάρχουν και οι υπερμεγέθεις, που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών. Ως αποτέλεσμα της εξέλιξης των γαλαξιών κατά τα δισεκατομμύρια έτη ζωής του Σύμπαντος, αυτές οι μαύρες τρύπες έχουν συγκεντρώσει τεράστιες μάζες, της τάξεως των εκατομμυρίων ηλιακών μαζών (συνηθίζουμε να μετράμε τις αστρικές μάζες σε σύγκριση με τον Ήλιο).
Η μάζα της μελανής οπής που βρίσκεται στο κέντρο του Γαλαξία μας είναι περίπου τέσσερα εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Παρά το τεράστιο του μεγέθους της, αυτή η ποσότητα ύλης είναι στριμωγμένη σε μόλις 44 εκατομμύρια χιλιόμετρα, δηλαδή περίπου τρεισήμισι φορές μικρότερη από την απόσταση μεταξύ Γης και Ήλιου. Η περιοχή του κέντρου του Γαλαξία μας, η οποία βρίσκεται στον αστερισμό του Τοξότη και αναφέρεται ως SgrA*, κρύβεται πίσω από τεράστια ποσότητα μεσοαστρικής ύλης η οποία δεν επιτρέπει την απεικόνισή της σε οπτικά μήκη κύματος. Η ίδια η μαύρη τρύπα είναι επίσης αόρατη και η παρουσία της γίνεται αντιληπτή έμμεσα από τα αποτελέσματα που προκαλεί στα αστέρια και την περιβάλλουσα μεσοαστρική ύλη.
Παρά το τεράστιο μέγεθός της, η μελανή οπή του Γαλαξία μας δεν είναι η μεγαλύτερη στο Σύμπαν. Για παράδειγμα, η μαύρη τρύπα του γαλαξία Μ87 είναι χιλιάδες φορές μεγαλύτερη, με μάζα που φτάνει τα τρία με πέντε δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.
Δεν είναι φωτογραφία, είναι εικόνα.
Παρόλο που και οι δυο μελανές οπές παρατηρήθηκαν τον Απρίλιο του 2017, τελικά οι ερευνητές της κοινοπραξίας του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων ολοκλήρωσε πρώτα την απεικόνιση της μαύρης τρύπας του Μ87, τονΑπρίλιο του 2019, επειδή απλούστατα, ήταν ευκολότερη. Στη συνέχεια,το Μάρτιο του 2021 δημοσιεύτηκε η πρώτη εικόνα της ίδιας μελανής οπής στο πολωμένο φως, η οποία επιτρέπει τη μελέτη του μαγνητικού πεδίου γύρω από ένα τέτοιο αντικείμενο.
Η μελανή οπή του Γαλαξία μας απέχει είκοσι εφτά χιλιάδες έτη φωτός και είναι περίπου χίλιες φορές μικρότερη από εκείνη του Μ87, η οποία με τη σειρά της βρίσκεται περίπου πενήντα εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Παρόλα αυτά η Μ87 ήταν ευκολότερο να απεικονιστεί για δυο λόγους. Λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους της, η περιοχή αντιστοιχούσε σε μεγαλύτερη γωνιακή έκταση στην ουράνια σφαίρα. Επιπλέον, λόγω της θέσης μας πάνω στο γαλαξιακό δίσκο, η ακτινοβολία που φτάνει σε εμάς από τη δική μας μελανή οπή θα πρέπει να διασχίσει μεγαλύτερο πάχος από τη σχετικά πυκνότερη μεσοαστρική ύλη του Γαλαξία μας σε σχέση με τη μελανή οπή του Μ87 που βρίσκεται σε έναν άλλο γαλαξία και την παρατηρούμε υπό διαφορετική γωνία.
Είναι σημαντικό, πάντως, να τονιστεί ότι τόσο η εικόνα της μελανής οπής του Μ87 όσο και του Γαλαξία μας δεν είναι φωτογραφίες, δηλαδή δεν απεικονίζουν το ορατό φως που προέρχεται από το περιβάλλον τους και, κυρίως, δεν έγινε αποτύπωση του ειδώλου τους σε έναν ανιχνευτή. Αποτελούν, ουσιαστικά, ανακατασκευασμένες εικόνες από συντονισμένες παρατηρήσεις των ραδιοκυμάτων που εκπέμπουν, χρησιμοποιώντας ραδιοτηλεσκόπια σε όλη σχεδόν την υφήλιο.
Παρά το γεγονός ότι πρόκειται για δυο αρκετά διαφορετικές μαύρες τρύπες, η εμφάνισή τους στα ραδιοκύματα είναι παρόμοια, κάτι που επιβεβαιώνει εμμέσως την ισχύ της Γενικής Σχετικότητας. Παρόλα αυτά υπάρχουν αξιοσημείωτες διαφορές στις δυο εικόνες, οι οποίες οφείλονται κυρίως στο υλικό που περιστρέφεται γύρω από τις μαύρες τρύπες και στο μέγεθός τους. Παρόλο που το υλικό κοντά στον ορίζοντα γεγονότων κινείται και στις δυο περιπτώσεις με ταχύτητες που προσεγγίζουν την ταχύτητα του φωτός, για μια πλήρη περιφορά γύρω από τη μελανή οπή του Γαλαξία μας απαιτούνται μόλις μερικά λεπτά σε αντίθεση με τις μερικές ημέρες που απαιτούνται για μια περιφορά γύρω από εκείνη του Μ87.Τα τηλεσκόπια παρατηρούσαν τις δύο πηγές συνεχόμενα για αρκετές ώρες, επομένως κατά την ανακατασκευή των εικόνων, η εικόνα του SgrA* είναι πιο θολή καθώς είναι σαν να φωτογραφίζουμε κάτι που κινείται πολύ γρήγορα. Αυτή η γρήγορη κίνηση του υλικού ανάγκασε τους επιστήμονες να αναπτύξουν κάποια νέα εργαλεία επεξεργασίας ενώ η ίδια η επεξεργασία χρειάστηκε πέντε χρόνια εντατικής δουλειάς.
Πάντως, οι εικόνες των δύο, πλέον, μελανών οπών θα οδηγήσουν σε περαιτέρω μελέτες σύγκρισης οι οποίες με τη σειρά τους θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε σε μεγαλύτερο βάθος το πώς συμπεριφέρεται η ύλη και η ακτινοβολία στο περιβάλλον μιας μελανής οπής. Περισσότερες εξελίξεις αναμένονται στο μέλλον καθώς το Μάρτιο του 2022 το Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων έλαβε και νέες παρατηρήσεις ενσωματώνοντας περισσότερα ραδιοτηλεσκόπια και επεκτείνοντας το δίκτυο εγκαταστάσεων και επιστημόνων.
Η κοινοπραξία του Τηλεσκόπιου Ορίζοντα Γεγονότων
Τα ραδιοτηλεσκόπια είναι ανιχνευτές που συλλέγουν τη ραδιοφωνική ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα ουράνια σώματα. Ο κατάλληλος συντονισμός τους σε διάφορες περιοχές ανά την υφήλιο ισοδυναμεί με τη δημιουργία ενός τηλεσκοπίου με διάμετρο όσο ο πλανήτης μας. Για αυτό το σκοπό, το 2009 ιδρύθηκε το Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων (Event Horizon Telescope, EHT), ενώ είχαν προηγηθεί σημαντικές εξελίξεις στα θεωρητικά και πρακτικά ζητήματα γύρω από την παρατήρηση μελανών οπών και τη μοντελοποίηση του περιβάλλοντός τους. Σήμερα, η διεθνής συνεργασία περιλαμβάνει ραδιοτηλεσκόπια στην Ανταρκτική, τη Χαβάη, τη Χιλή, την Ισπανία, στο Μεξικό κ.α., ενώ στο πρόγραμμα εργάζονται περισσότεροι από τριακόσιοι επιστήμονες από ογδόντα ινστιτούτα σε περισσότερες από είκοσι χώρες της Ευρώπης, της Ασίας και της Αμερικής.
Καθώς μεγαλύτερη διάμετρος ανιχνευτή μας επιτρέπει να εντοπίζουμε αντικείμενα με μικρότερη γωνιακή διάμετρο, η διακριτική ικανότητά του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων είναι κατά ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη του ανθρώπινου οφθαλμού, δηλαδή μπορεί να εντοπίσει ένα αντικείμενο τόσο μικρό όσο ένα φρούτο στην επιφάνεια της Σελήνης! Συνδυάζοντας το σήμα που λαμβάνει κάθε ένα από τα ραδιοτηλεσκόπια μπορούμε να έχουμε μια εκτίμηση της διάστασης της ραδιοπηγής και να ανακατασκευάσουμε την εικόνα της. Φυσικά, δεδομένου ότι πρόκειται για ραδιοκύματα, η εικόνα αυτή δεν θα μοιάζει απαραιτήτως με αυτό που θα ήταν ορατό στα δικά μας μάτια αλλά θα απεικονίζει την ύλη που εκπέμπει, λόγω συγκεκριμένων διεργασιών, στα ραδιοκύματα.
Η επεξεργασία των παρατηρήσεων απαιτεί τη γνώση της θέσης των επιμέρους τηλεσκοπίων με ακρίβεια χιλιοστού ενώ θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και η περιστροφή της Γης. Κατά κάποιον τρόπο, κάθε τηλεσκόπιο καταγράφει μια ψηφίδα του πεδίου ακτινοβολίας και η πρόκληση είναι πώς θα ανακατασκευαστεί η εικόνα του γαλαξιακού πυρήνα χρησιμοποιώντας τα καταγεγραμμένα τμήματα. Για την κατασκευή της εικόνας χρησιμοποιήθηκαν ειδικοί αλγόριθμοι απεικόνισης οι οποίοι βασίζονται σε μια σειρά από ελεύθερες παραμέτρους. Από τις παρατηρήσεις του Απριλίου 2017 κατασκευάστηκαν μερικές χιλιάδες πιθανές εικόνες, από τις οποίες επιλέχθηκαν εκείνες που ήταν περισσότερο συμβατές με όσα γνωρίζουμε από άλλες παρατηρήσεις και θεωρητικά μοντέλα. Οι εικόνες με την καλύτερη ταύτιση τελικά αθροίστηκαν για να δώσουμε μια μέση εικόνα της πηγής.
Θα πρέπει να τονιστεί ότι η μέθοδος επεξεργασίας και η σύγκριση με τα θεωρητικά μοντέλα που περιλαμβάνει δεν καθορίζει ή εξασφαλίζει το αποτέλεσμα των παρατηρήσεων. Παρά τις θεωρητικές προβλέψεις δεν υπήρχε εγγύηση ότι η τελική εικόνα της μαύρης τρύπας θα ήταν συμβατή με όσα γνωρίζαμε∙ σύμφωνα με τους επιστήμονες οι τελικές εικόνες είναι ανεξάρτητες των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν για σύγκριση και μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση φυσικών ποσοτήτων, όπως και έγινε σε μετέπειτα δημοσιεύσεις.
Πηγές: https://www.eso.org/public/news/eso2208-eht-mw/
