Avem în sfârșit o imagine a găurii negre din inima Căii Lactee

Există o nouă adăugire la galeria de portrete a găurilor negre a astronomilor.

Astronomii au anunțat la 12 mai că au asamblat în sfârșit o imagine a găurii negre supermasive din centrul galaxiei noastre.

„Această imagine arată un inel luminos care înconjoară întunericul, semnul revelator al umbrei găurii negre”, a declarat astrofizicianul Feryal Özel de la Universitatea Arizona din Tucson, la o conferință de presă care a anunțat rezultatul.

Gaura neagră, cunoscută sub numele de Sagittarius A*, apare ca o siluetă slabă în mijlocul materialului incandescent care o înconjoară. Imaginea dezvăluie regiunea turbulentă și întortocheată care înconjoară imediat gaura neagră în noi detalii. Descoperirile au fost publicate, de asemenea, la 12 mai în 6 studii în Astrophysical Journal Letters.

O rețea de radiotelescoape care acoperă întreaga planetă, cunoscută sub numele de Event Horizon Telescope, a lucrat împreună pentru a crea această privire mult așteptată la gigantul din Calea Lactee. Cu trei ani în urmă, aceeași echipă a publicat prima imagine a unei găuri negre supermasive (SN: 4/10/19). Acest obiect se află în centrul galaxiei M87, la aproximativ 55 de milioane de ani-lumină de Pământ.

Dar Sagittarius A*, sau Sgr A* pe scurt, este „gaura neagră a umanității”, spune astrofizicianul Sera Markoff de la Universitatea din Amsterdam și membru al colaborării EHT.

Aflată la 27.000 de ani-lumină, mastodontul este cea mai apropiată gaură neagră gigantică de Pământ. Această proximitate înseamnă că Sgr A* este cea mai studiată gaură neagră supermasivă din univers. Cu toate acestea, Sgr A* și altele ca ea rămân unele dintre cele mai misterioase obiecte descoperite vreodată.

Acest lucru se datorează faptului că, la fel ca toate găurile negre, Sgr A* este un obiect atât de dens încât atracția sa gravitațională nu lasă lumina să scape. Găurile negre sunt „păstrători naturali ai propriilor lor secrete”, spune fizicianul Lena Murchikova de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey, care nu face parte din echipa EHT. Gravitația lor captează lumina care cade în interiorul unei granițe numite orizontul evenimentelor. Imaginile EHT ale lui Sgr A* și ale găurii negre M87 se apropie de această margine ineluctabilă.

Această sonificare este o traducere în sunet a imaginii Telescopului Event Horizon a găurii negre supermasive Sagittarius A*. Sonificarea se desfășoară în sensul acelor de ceasornic în jurul imaginii găurii negre. Materialul aflat mai aproape de gaura neagră orbitează mai repede decât cel aflat mai departe. Aici, materialul care se mișcă mai repede se aude la frecvențe mai înalte. Tonurile foarte joase reprezintă materialul din afara inelului principal al găurii negre. Un volum mai ridicat indică pete mai luminoase din imagine.

Sgr A* se hrănește cu material fierbinte împins de stelele masive din centrul galactic. Acest gaz, atras spre Sgr A* de atracția gravitațională a acestuia, curge într-un disc înconjurător de material incandescent, numit disc de acreție. Discul, stelele și o bulă exterioară de lumină cu raze X „sunt ca un ecosistem”, spune astrofizicianul Daryl Haggard de la Universitatea McGill din Montreal și membru al colaborării EHT. „Sunt complet legate între ele”.

Acel disc de acreție este locul unde se află acțiunea – deoarece gazul se mișcă în cadrul unor câmpuri magnetice extrem de puternice – astfel încât astronomii doresc să știe mai multe despre modul în care funcționează discul.

La fel ca majoritatea găurilor negre supermasive, Sgr A* este liniștită și slabă (SN: 6/5/19 ). Gaura neagră mănâncă doar câteva bucățele hrănite de discul de acreție. Cu toate acestea, „a fost întotdeauna o mică enigmă de ce este atât de slabă”, spune astrofizicianul Meg Urry de la Universitatea Yale, care nu face parte din colaborarea EHT. În comparație, gaura neagră a lui M87 este un monstru care se hrănește cu materialul din apropiere și emite jeturi enorme și puternice (SN: 11/10/21). Dar asta nu înseamnă că Sgr A* nu produce lumină. Astrofizicienii au văzut regiunea sa strălucind slab în unde radio, tremurând în infraroșu și râgâind în raze X.

De fapt, discul de acreție din jurul lui Sgr A* pare să pâlpâie și să fiarbă constant. Această variabilitate, această pâlpâire constantă, este ca o spumă deasupra valurilor oceanului, spune Markoff. „Și astfel vedem această spumă care se ridică din toată această activitate și încercăm să înțelegem valurile de sub spumă”.

Marea întrebare, adaugă ea, a fost dacă astronomii ar fi capabili să vadă ceva care se schimbă în acele valuri cu EHT. În noua lucrare, ei au văzut indicii ale acelor schimbări sub spumă, dar analiza completă este încă în curs de desfășurare.

Prin combinarea a aproximativ 3,5 petabytes de date, sau echivalentul a aproximativ 100 milioane de videoclipuri TikTok, capturate în aprilie 2017, cercetătorii ar putea începe să pună cap la cap imaginea. Pentru a desluși o imagine din amestecul masiv inițial de date, echipa EHT a avut nevoie de ani de muncă, simulări complicate pe calculator și observații în diferite tipuri de lumină de la alte telescoape.

Oamenii de știință au creat o vastă bibliotecă de simulări computerizate ale Sagittarius A* (una prezentată) pentru a explora fluxul turbulent de gaz fierbinte care înconjoară gaura neagră. Acest flux rapid face ca aspectul inelului să varieze în luminozitate pe scări de timp de câteva minute. Oamenii de știință au comparat aceste simulări cu observațiile recent publicate ale găurii negre pentru a înțelege mai bine adevăratele sale proprietăți.

Aceste date „cu mai multe lungimi de undă” de la celelalte telescoape au fost cruciale pentru asamblarea imaginii. „Privind aceste lucruri simultan și toate împreună, suntem capabili să obținem o imagine completă”, spune teoreticianul Gibwa Musoke de la Universitatea din Amsterdam.

Variabilitatea lui Sgr A*, fierberea constantă, a complicat analiza, deoarece gaura neagră se schimbă la scări de timp de doar câteva minute, schimbându-se în timp ce cercetătorii o imaginau. „A fost ca și cum am încerca să facem o fotografie clară a unui copil care aleargă noaptea”, a declarat astronomul José L. Gómez de la Instituto de Astrofísica de Andalucía din Granada, Spania, la o conferință de presă care a anunțat rezultatul. M87 a fost mai ușor de analizat deoarece s-a schimbat pe parcursul a câteva săptămâni.

În cele din urmă, o mai bună înțelegere a ceea ce se întâmplă în discul atât de aproape de Sgr A* ar putea ajuta oamenii de știință să afle cum funcționează multe alte găuri negre supermasive similare.

Noile observații EHT confirmă, de asemenea, că masa lui Sgr A* este de 4 milioane de ori mai mare decât cea a soarelui. Dacă gaura neagră ar înlocui soarele nostru, umbra imaginată de EHT s-ar afla pe orbita lui Mercur.

Cercetătorii au folosit, de asemenea, imaginea lui Sgr A* pentru a pune la încercare relativitatea generală (SN: 2/3/21). Teoria statornică a gravitației a lui Einstein a trecut: Mărimea umbrei corespundea predicțiilor relativității generale. Prin testarea teoriei în condiții extreme – cum ar fi cele din jurul găurilor negre – oamenii de știință speră să identifice eventualele puncte slabe ascunse.

Oamenii de știință au testat anterior relativitatea generală urmărind mișcările stelelor care orbitează foarte aproape de Sgr A* – o lucrare care a contribuit, de asemenea, la confirmarea faptului că obiectul este cu adevărat o gaură neagră (SN: 7/26/18). Pentru această descoperire, cercetătorii Andrea Ghez și Reinhard Genzel au câștigat o parte din Premiul Nobel pentru fizică în 2020 (SN: 10/6/20).

Cele două tipuri de teste ale relativității generale sunt complementare, spune astrofizicianul Tuan Do de la UCLA. „Cu aceste teste mari de fizică, nu vrei să folosești doar o singură metodă”. Dacă un test pare să contrazică relativitatea generală, oamenii de știință pot verifica dacă există o discrepanță corespunzătoare în celălalt.

Cu toate acestea, Event Horizon Telescope testează relativitatea generală mult mai aproape de marginea găurii negre, ceea ce ar putea evidenția efecte subtile ale fizicii dincolo de relativitatea generală. „Cu cât te apropii mai mult, cu atât ești mai bun în ceea ce privește posibilitatea de a căuta aceste efecte”, spune fizicianul Clifford Will de la Universitatea din Florida din Gainesville.

Cu toate acestea, unii cercetători au criticat un test similar al relativității generale realizat cu ajutorul imaginii EHT a găurii negre a lui M87 (SN: 10/1/20). Acest lucru se datorează faptului că testul se bazează pe ipoteze relativ șubrede despre fizica modului în care materialul se învârte în jurul unei găuri negre, spune fizicianul Sam Gralla de la Universitatea din Arizona din Tucson. Testarea relativității generale în acest mod „ar avea sens doar dacă relativitatea generală ar fi cea mai slabă verigă”, dar încrederea oamenilor de știință în relativitatea generală este mai puternică decât ipotezele care au stat la baza testului, spune el.

Observațiile lui Sgr A* oferă mai multe dovezi că obiectul este, de fapt, o gaură neagră, spune fizicianul Nicolas Yunes de la Universitatea Illinois Urbana-Champaign. „Este foarte interesant să avem prima imagine a unei găuri negre care se află în propria noastră Cale Lactee. Este fantastic”. Ea stârnește imaginația, la fel ca primele imagini pe care astronauții le-au făcut cu Pământul de pe Lună, spune el.

Aceasta nu va fi ultima imagine atrăgătoare a lui Sgr A* de la EHT. Observații suplimentare, realizate în 2018, 2021 și 2022, așteaptă încă să fie analizate.

„Aceasta este cea mai apropiată gaură neagră supermasivă de noi”, spune Haggard. „Este ca și cel mai apropiat prieten și vecin al nostru. Și o studiem de ani de zile ca o comunitate. [This image is a] cu adevărat profundă în plus față de această interesantă gaură neagră de care ne-am cam îndrăgostit cu toții în carierele noastre.”