Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 16 – vyšlo 19. dubna, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

16/2019

První snímek černé díry

Pavel Galář

Jedním z milníků v poznávání struktury a fungování vesmíru byl bezesporu rok 1916, kdy Albert Einstein publikoval finální verzi své obecné teorie relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách.. Ta, mimo jiné, předpovídala existenci komprimovaných objektů, které by ve svém okolí významným způsobem zakřivovaly prostoročas a vykazovaly mnoho vlastností, na tu dobu nepředstavitelných. Těmto objektům se později začalo říkat černé díry a trvalo více než 100 let, než se jejich existenci podařilo prokázat přímým pozorováním. Tohoto přelomového úspěchu se podařilo dosáhnout vědcům z projektu Event Horizon Telescope (EHTEHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta.), kteří během celosvětové videokonference dne 10. dubna zveřejnili první snímek blízkého okolí černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. [1, 2]. V tomto bulletinu si řekneme, co to vlastně černá díra je, jakým způsobem vznikla již zmíněná fotografie, co na ní můžeme vidět a proč je vlastně první snímek černé díry tak významný nejen pro celosvětovou vědeckou komunitu [1, 3]. Nejdůležitější výstupy projektu EHT je možno najít v sérii šesti článků, které vyšly ve stejný den, jako byl zveřejněn již zmíněný snímek [3]. Závěrem se také krátce zmíníme o jiné fotografii, která je spojena s projektem EHT a šířila se sociálnímí sítěmi možná ještě rychleji než samotné znázornění černé díry, a to snímek jedné z vědkyň projektu EHT, doktorky Katie Bouman, která se nechtěně stala tváří celého projektu a nečekaným fenoménem minulého týdne.

Snímek blízkého okolí černé díry v centru galaxie M87 zrekonstruovaný
z dat naměřených dne 11. dubna 2017. Zdroj: [2].

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Černá díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. Horizont událostí – rozhraní u černé díry, po jehož překročení již není možné vyslat jakýkoli signál vnějšímu pozorovateli. Rozměr horizontu událostí určil z obecné relativity Karl Schwarzschild v roce 1916, proto často hovoříme o tzv. Schwarzschildovu poloměru černé díry. U rotující černé díry spočítal tvar horizontu událostí Roy Kerr v roce 1963. EHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta.

Černé díry

Černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. jsou považovány za jedny z nejmysterióznějších vesmírných objektů. Jedná se o tělesa s natolik koncentrovanou hmotou, že jejich gravitační pole neumožní žádnému objektu, který se přiblíží příliš blízko, opustit prostor vymezený černou dírou. To se týká nejen hmotných těles, ale i světla, což dalo impulz ke vzniku označení těchto vesmírných objektů – černá díra. Rozsah oblasti kolem středu černé díry, ze které již není úniku, je dán Schwarzschildovým poloměrem [4]. Této hranici se také říká horizont událostíHorizont událostí – rozhraní u černé díry, po jehož překročení již není možné vyslat jakýkoli signál vnějšímu pozorovateli. Rozměr horizontu událostí určil z obecné relativity Karl Schwarzschild v roce 1916, proto často hovoříme o tzv. Schwarzschildovu poloměru černé díry. U rotující černé díry spočítal tvar horizontu událostí Roy Kerr v roce 1963.. Velikost Schwarzschildova poloměru roste s hmotností černé díry. Přestože samotná černá díra je na vesmírná měřítka velmi malým a dokonale černým objektem, spolu se svým okolím tvoří černé díry jedny z nejsvítivějších objektů ve vesmíru, což umožňuje určit jejich polohu. Schéma nejbližšího okolí černé díry je patrné na následujícím obrázku. Kromě již zmíněného temného středu zde můžeme vidět především akreční disk rotující kolem černé díry a výtrysky. Akreční disk je tvořen rychle rotující směsicí prachu a plynu, která je strhávána gravitační silou černé díry. Látka akrečního disku se díky vnitřnímu tření plynů silně zahřívá, což vede ke vzniku plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.. Vnitřní část disku také silně emituje elektromagnetické záření, jehož frekvence sahají od rádiových vln až po gama záření. Díky přítomnosti velkého množství rotujících nabitých částic je akreční disk zdrojem silného magnetického pole, které je zodpovědné za již zmíněné výtrysky. Jedná se o proud nabitých částic, které směřovaly do středu černé díry, ale byly na poslední chvíli strženy jejím magnetickým polem a vymrštěny do vesmíru. Původ menších černých děr (několikrát hmotnějších než naše Slunce) je spojen s kolapsem vyhaslých hvězd. Za jakých podmínek vznikaly obří černé díry (i miliardkrát hmotnější než Slunce), které můžeme pozorovat ve středech galaxií, je však stále záhadou, více například v [4].

Portrét očekávané struktury nejbližšího okolí černé díry. Zdroj: Aldebaran [4].

Teleskop pro pozorování horizontu událostí

Projekt EHTEHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta. (Event Horizon Telescope, volně přeloženo teleskop pro pozorování horizontu událostí), vedený profesorem Sheperdem Doelemanem, byl oficiálně zahájen v roce 2012 a měl ambiciózní cíl – dosažení přímého pozorování bezprostředního okolí horizontu černé díry. Pozorování těchto objektů mělo být uskutečněno na vlnové délce 1,3 mm (rádiové vlny), které vydává akreční disk černých děr. Rádiové záření, na rozdíl od viditelného, vykazuje dobrou prostupnost galaktickým prachem a je tedy vhodné pro pozorování velmi vzdálených objektů. Jako vhodní kandidáti byly vybrány dva objekty. Prvním byla relativně blízká (vzdálená ~26 000 světelných roků), ale v rámci obřích černých děr malá (přibližně čtyři miliony hmotností Slunce) černá díra spojená s rádiovým zdrojem Sagittarius A*, která se nachází ve středu Mléčné dráhy. Druhým adeptem byla černá díra ve středu galaxie Messier 87 v souhvězdí Panny. Tato černá díra je sice od Země vzdálená 55 milionů světelných roků, je však jednou z největších doposud pozorovaných černých děr přibližně sedm miliard hmotností Sluncí) a intenzivním zdrojem rádiového signálu. Zásadní překážkou pro přímé pozorování těchto vesmírných objektů ze Země je fakt, že poloměr „čočky“, kterou by vhodný teleskop musel mít, by řádově odpovídal poloměru Země (s rostoucím poloměrem mísy radioteleskopu roste rozlišení detekce). Sami vědci daný problém přirovnali ke snaze číst z New Yorku noviny, které drží člověk sedící v pařížské kavárně. Tuto překážku se rozhodli v rámci projektu EHT vyřešit pomocí detekční techniky známé jako VLBIVLBI – Very Long Baseline Interferometry, radioastronomická metoda přesného měření polohy velmi vzdálených radiových zdrojů. Metoda spočívá v měření časových korelací zaznamenaných šumových signálů třemi a více radioteleskopy, umístěnými na zemském povrchu ve velké vzdálenosti od sebe. Nejcitlivější sítí je evropská EVN, nejznámější je americká VLBA s 10 radioteleskopy o základně 8 600 km. Pomocí této metody je definován souřadnicový systém ICRS. (Very Long Baseline Interferometry). Zjednodušeně se dá říct, že pokud jste schopni na různých místech Země provést časově synchronizované měření elektromagnetického signálu z určitého místa vesmíru a tyto signály následně vhodně poskládat, je výsledek ekvivalentní měření pomocí jediného „extrémně děravého“ teleskopu o poloměru Země (tzv. virtuální teleskop). Výsledkem je tedy velmi nedokonalý signál o požadovaném rozlišení, více [5–7].

Systém osmi teleskopů a radioteleskopických polí, které byly použity
pro získávání rádiového signálu v rámci projektu EHT. Zdroj: [3].

Do projektu EHTEHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta. se postupně zapojilo osm observatoří po celém světě včetně jedné na jižním pólu a pracuje na něm více než 200 vědců. Výše popsané měření rádiových signálů obou černých děr proběhlo během deseti nocí v dubnu roku 2017 a objem získaných dat naplnil přes tisíc osmiterabajtových disků. Objem dat byl tak veliký, že musela být k vyhodnocení do MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. (Massachusettský technologický institut) přepravena fyzicky. Jednalo se o půl tuny přenosných disků. Vyhodnocení získaných dat představovalo stejně velkou výzvu, jako jejich získání. Vědci museli být nejen schopni efektivně zpracovat tak velké množství dat, ale i provést korekci zpoždění signálu v atmosféře na různých místech Země a především najít vhodný algoritmus, který by byl schopný správně hledat střípky informací z velmi nekvalitních dat, aby je bylo možno správně seskládat do výsledné mozaiky [8, 9]. Velkou měrou ke zvládnutí všech těchto úkonů přispěla již zmíněná doktorka Katie Bouman, která vedla jeden z týmů zabývajících se vyhodnocím zmíněných dat a k vytvoření výsledného algoritmu byly mimo jiné použity výsledky její doktorské práce. Výstupem téměř dva roky trvající snahy je první snímek těsného okolí černé díry Messier 87. Jeho srování s teoretickým modelem je zobrazeno na následujícím obrázku. Pro získání představy o náročnosti předkládaného úkolu doporučuji nejen oficiální článek na toto téma [9], ale i velmi názornou přednášku Dr. Bouman, kterou měla v rámci projektu TED [11]. Na vyhodnocení dat ze zdroje Sagittarius A* se stále pracuje.

Snímek galaxie Messier 87 (projekt EHT), očekávaný výsledek pozorování
(model GRMHD), rozostřený teoretický snímek. Zdroj: [10].

Výsledná fotografie

Na pořízeném snímku je zřetelně vidět tmavý střed, který má zachycovat oblast pod horizontem událostí. Ve skutečnosti má tmavý střed velikost 2,6 Schwarzschildova poloměru, což je dáno zakřivením chodu detekovaných rádiových vln gravitačním polem černé díry [10]. Jasný prstenec kolem něj je dán emisí záření z akrečního disku kolem černé díry. Rozostření snímku je dáno především rozptylem rádiových vln na nabitých čísticích ve vesmíru. Na fotografii stojí za pozoronost také následující dva efekty. Za prvé, na snímku je vidět vnitřní část akrečního disku, která má téměř kruhový profil. To by znamenalo, že je rovina disku natočena k Zemi přesně na kolmo, což je nepravděpodobné. Za druhé, je zřetelně vidět, že spodní část disku je jasnější než horní. První efekt je způsobem gravitačním zakřivením rádiových vln dopadajících na Zemi z části akrečního disku nacházejícího se v zákrytu černé díry. Rádiové vlny, které vychází z disku na odvrácené straně černé díry, mohou být gravitační silou černé díry ohnuty tak, že obkrouží černou díru a následně pokračují směrem k Zemi. Jelikož tyto paprsky mohou obejít černou díru z libovolného směru, z našeho pohledu budou vytvářet kruhové haló kolem černé díry. Druhý efekt je dán tzv. relativistickým Dopplerovým jevem (nebo také relativistic beaming). Intenzita rádiového záření pocházející z části akrečního disku, který se pohybuje směrem od Země, bude zeslabena a naopak jako intenzivnější budeme pozorovat záření pocházející z části disku rotujícího směrem k Zemi. Všechny pozorované efekty jsou v souladu s očekávaným pozorováním založeným na Einsteinově teorii relativity. Pro více informací o zobrazení černé díry na Zemi doporučuji články [10, 12], případně velmi názorné video skupiny Veritasium [13].

Přestože prezentované zobrazení černé díry a jejího okolí nenese žádnou informaci o vlastnostech černých děr pod horizontem událostí, jeho nesporný význam je především v přímém potvrzení existence a chování černých děr. Přestože již bylo předloženo mnoho vědeckých výsledků, které byly v souladu s očekávaným chováním černý děr, vzpomeňmě například nedávné pozorování gravitačních vln, které měly vzniknout kolapsem dvou černých děr [14], výsledek projektu EHTEHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta. je prvním doloženým přímým pozorováním objektů demonstrujících správnost již více než 100 let staré Einsteinovy teorie obecné relativity.

Na závěr se zastavíme i nad dnes již virální fotografií Dr. Katie Bouman [15]. Tato fotografie, kde vědkyně nadšeně sleduje první snímek černé díry na svém počítači, byla umístěna na její facebookový profil v den oficiálního zveřejnění fotografie. Fotografie se začala rychle šířit přes sociální sítě, a to nejen díky významnému vědeckému výsledku projektu, ale i příběhu, který kolem Dr. Bouman vznikl. Příběh mladé vědkyně, která díky algoritmu vytvořeného během svých studií dokázala zásadním způsobem pomoci k vytvoření přelomového vědeckého snímku, byl pravděpodobně příliš lákavý. Dr. Bouman se tak téměř přes noc stala tváří celého projektu a hrdinkou mladé STEM komunity. Nic na tom nezměnil ani fakt, že na projektu spolupracovalo 200 lidí a finální algoritmus, který byl použit pro přípravu výsledného snímku se významně lišil od původního návrhu paní doktorky.

Snímek Dr. Katie Bouman, který se brzy po svém zveřejnění
stal virální záležitostí. Zdroj: [15].

Pár údajů na závěr

Parametry černé díry ve středu galaxie M 87
souhvězdí	Panna
vzdálenost	55×106 ly
hmotnost	~ 6,5×109 MS
akrece	~ 1 MS/ 10 let
délka výtrysku	5 000 ly
horizont (Rg)	~ 130 au
základna výtrysku	5,5 Rg
vnitřní část akrečního disku	3 Rg
oblast stínu	2,5 Rg
fotonová orbita	1,5 Rg
Parametry snímku
vlnová délka	1,3 mm
rozlišení	40 μas

Poloha galaxie M 87 a černé díry v jejím středu na obloze. Zdroj: ESO/YT.

Odkazy