Nota editorului: pe 10 aprilie, colaborarea Event Horizon Telescope a lansat o imagine a găurii negre supermasive din centrul galaxiei M87. Citiți povestea completă aici.
Suntem pe cale să vedem primul prim plan al unei găuri negre.
Telescopul Event Horizon, o rețea de opt observatoare radio care se întinde pe glob, și-a pus ochii pe o pereche de giganți: Săgetător A*, gaura neagră supermasivă din centrul Căii Lactee și o gaură neagră și mai masivă de 53,5 milioane de lumină. ani distanță în galaxia M87 (SN Online: 4/5/17).
În aprilie 2017, observatoarele au făcut echipă pentru a observa orizonturile evenimentelor găurilor negre, granița dincolo de care gravitația este atât de extremă încât nici măcar lumina nu poate scăpa (SN: 31.5.14, str. 16). După aproape doi ani de redare a datelor, oamenii de știință se pregătesc să lanseze primele imagini în aprilie.
Iată ce speră oamenii de știință să ne spună acele imagini.
Cum arată cu adevărat o gaură neagră?
Găurile negre își ridică numele: marile fiare gravitaționale nu emit lumină în nicio parte a spectrului electromagnetic, așa că ele însele nu arată prea mult.
Dar astronomii știu că obiectele sunt acolo din cauza anturajului unei găuri negre. Pe măsură ce gravitația unei găuri negre trage gaz și praf, materia se instalează într-un disc în orbită, cu atomii împingându-se unul pe altul la viteze extreme. Toată această activitate încălzește materia în alb, așa că emite raze X și alte radiații de înaltă energie. Cele mai vorace găuri negre din univers au discuri care eclipsează toate stelele din galaxiile lor (SN Online: 3/16/18).
Imaginea EHT a Săgetătorului A* din Calea Lactee, numită și SgrA*, este de așteptat să capteze umbra găurii negre pe discul său de material strălucitor însoțitor. Simulările pe computer și legile fizicii gravitaționale oferă astronomilor o idee destul de bună despre ce să se aștepte. Din cauza gravitației intense din apropierea unei găuri negre, lumina discului va fi deformată în jurul orizontului de evenimente într-un inel, astfel încât chiar și materialul din spatele găurii negre va fi vizibil.
De la astronomie la zoologie
Abonați-vă la Știri Științe pentru a vă satisface apetitul omnivor pentru cunoașterea universală.
Și imaginea va arăta probabil asimetrică: gravitația va îndoi lumina din partea interioară a discului spre Pământ mai puternic decât partea exterioară, făcând ca o parte să pară mai strălucitoare într-un inel deformat.
Relativitatea generală rezistă aproape de o gaură neagră?
Forma exactă a inelului poate ajuta la spargerea unuia dintre cele mai frustrante impas din fizica teoretică.
Pilonii gemeni ai fizicii sunt teoria relativității generale a lui Einstein, care guvernează lucruri masive și bogate din punct de vedere gravitațional, cum ar fi găurile negre, și mecanica cuantică, care guvernează lumea ciudată a particulelor subatomice. Fiecare lucrează exact în domeniul său propriu. Dar ei nu pot lucra împreună.
„Relativitatea generală așa cum este și mecanica cuantică așa cum este sunt incompatibile una cu cealaltă”, spune fizicianul Lia Medeiros de la Universitatea Arizona din Tucson. „Rock, loc greu. Ceva trebuie să dea.” Dacă relativitatea generală cade la granița unei găuri negre, ea poate indica calea de urmat pentru teoreticieni.
Deoarece găurile negre sunt cele mai extreme medii gravitaționale din univers, ele sunt cel mai bun mediu pentru a testa teoriile gravitaționale. Este ca și cum ai arunca teorii într-un perete și ai vedea dacă – sau cum – se sparg. Dacă relativitatea generală se menține, oamenii de știință se așteaptă ca gaura neagră să aibă o anumită umbră și astfel forma inelului; dacă teoria gravitației a lui Einstein se destramă, o umbră diferită.
Medeiros și colegii ei au efectuat simulări pe computer ale a 12.000 de umbre diferite de găuri negre care ar putea diferi de predicțiile lui Einstein. „Dacă este ceva diferit, [alternative theories of gravity] tocmai am primit un cadou de Crăciun”, spune Medeiros, care a prezentat rezultatele simulării în ianuarie la Seattle, la reuniunea Societății Americane de Astronomie. Chiar și mici abateri de la relativitatea generală ar putea crea umbre destul de diferite pentru ca EHT să poată sonda, permițând astronomilor să cuantifice cât de diferit este ceea ce văd de ceea ce se așteaptă.
Cadavrele stelare numite pulsari înconjoară gaura neagră a Căii Lactee?
O altă modalitate de a testa relativitatea generală în jurul găurilor negre este să urmăriți cum se învârt stelele în jurul lor. Pe măsură ce lumina fuge de gravitația extremă din vecinătatea unei găuri negre, undele ei se întind, făcând ca lumina să pară mai roșie. Acest proces, numit deplasare gravitațională spre roșu, este prezis de relativitatea generală și a fost observat în apropiere de SgrA* anul trecut (SN: 18/08/18, str. 12). Până acum, atât de bine pentru Einstein.
O modalitate și mai bună de a face același test ar fi cu un pulsar, un cadavru stelar care se învârte rapid, care mătură cerul cu un fascicul de radiații într-o cadență obișnuită care îl face să pară să pulseze (SN: 17.03.18, str. 4). Deplasarea gravitațională spre roșu ar strica ritmul metronomic al pulsarilor, oferind potențial un test mult mai precis al relativității generale.
„Visul majorității oamenilor care încearcă să facă știință SgrA*, în general, este să încerce să găsească un pulsar sau pulsari care orbitează” gaura neagră, spune astronomul Scott Ransom de la Observatorul Național de Radioastronomie din Charlottesville, Virginia. „Acolo sunt o mulțime de teste destul de interesante și destul de profunde ale [general relativity] pe care pulsarii le pot oferi, acel EHT [alone] nu va.”
În ciuda căutărilor atente, încă nu au fost găsiți pulsari suficient de aproape de SgrA*, parțial pentru că gazul și praful din centrul galactic le împrăștie fasciculele și le face dificil de observat. Dar EHT aruncă cea mai bună privire de până acum la acel centru în lungimi de undă radio, așa că Ransom și colegii speră că ar putea să identifice unele.
„Este o expediție de pescuit, iar șansele de a prinde un whopper sunt foarte mici”, spune Ransom. „Dar dacă o facem, merită pe deplin.”
Cum fac unele găuri negre jeturi?
Unele găuri negre sunt lacomi râvnitori, care atrag cantități masive de gaz și praf, în timp ce altele sunt pretențioase la mâncare. Nimeni nu știe de ce. SgrA* pare să fie unul dintre cei mai agitați, cu un disc de acreție surprinzător de slab, în ciuda masei sale de 4 milioane de masă solară. Cealaltă țintă a EHT, gaura neagră din galaxia M87, este un mâncător vorac, cântărind între aproximativ 3,5 miliarde și 7,22 miliarde de mase solare. Și nu acumulează doar un disc de acreție luminos. De asemenea, lansează un jet luminos și rapid de particule subatomice încărcate care se întinde pe aproximativ 5.000 de ani lumină.
„Este puțin contraintuitiv să crezi că o gaură neagră revarsă ceva”, spune astrofizicianul Thomas Krichbaum de la Institutul Max Planck pentru Radio Astronomie din Bonn, Germania. „De obicei oamenii cred că doar înghite ceva.”
Multe alte găuri negre produc jeturi care sunt mai lungi și mai largi decât galaxii întregi și se pot extinde la miliarde de ani lumină de la gaura neagră. „Apare întrebarea firească: ce este atât de puternic pentru a lansa aceste avioane la distanțe atât de mari?” spune Krichbaum. „Acum, cu EHT, putem urmări pentru prima dată ce se întâmplă.”
Măsurătorile EHT ale găurii negre a lui M87 vor ajuta la estimarea puterii câmpului său magnetic, despre care astronomii cred că este legat de mecanismul de lansare a jetului. Și măsurătorile proprietăților jetului atunci când este aproape de gaura neagră vor ajuta la determinarea locului în care își are originea jetul – în partea cea mai interioară a discului de acreție, mai departe în disc sau de gaura neagră în sine. Aceste observații ar putea dezvălui, de asemenea, dacă jetul este lansat de ceva legat de gaura neagră în sine sau de materialul care curge rapid din discul de acreție.
Deoarece jeturile pot transporta material din centrul galactic și în regiunile dintre galaxii, ele pot influența modul în care galaxiile cresc și evoluează și chiar unde se formează stelele și planetele (SN: 21/07/18, str. 16).
„Este important să înțelegem evoluția galaxiilor, de la formarea timpurie a găurilor negre până la formarea stelelor și mai târziu la formarea vieții”, spune Krichbaum. „Aceasta este o poveste mare, mare. Noi doar contribuim puțin cu studiile noastre despre jeturile de găuri negre la puzzle-ul mai mare.”
Nota editorului: această poveste a fost actualizată la 1 aprilie 2019, pentru a corecta masa găurii negre a lui M87; masa întregii galaxii este de 2,4 trilioane de mase solare, dar gaura neagră în sine cântărește câteva miliarde de mase solare. În plus, simularea găurii negre este un exemplu de una care susține teoria relativității generale a lui Einstein, nu una care se abate de la aceasta.