Co to jest czarna dziura?

Dlaczego odkrycie zespołu prof. Shepa Doelemana z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysic wzbudziło tak wielką ekscytację wśród astrofizyków?
Bezpośrednie potwierdzenie istnienie czarnej dziury jest dla nas astrofizyków rodzajem Świętego Graala, porównywalnym z uzyskaniem dowodu na istnienie życia pozaziemskiego. Jeśli eksperyment zespołu prof Doelemana zakończy się sukcesem, autorzy na pewno mogą liczyć na materiał okładkowy w czasopiśmie Nature. Kto wie, może nawet mają szansę na Nagrodę Nobla. Zresztą na razie skończono jedynie obserwacje i trzeba w spokoju poczekać na analizę danych. Wstrzymajmy się z szampanem..

To znaczy, że teraz takiego materialnego dowodu nie mamy?

Teraz mamy liczne dowody pośrednie. Na przykład możemy wnioskować o istnieniu czarnych dziur na podstawie prędkości rotujących gazów wokół centrum jąder innych galaktyk, gdzie domyślamy się istnienia czarnych
dziur. Jesteśmy przekonani na przykład, że jedną z nich jest obiekt położony w centrum Drogi Mlecznej, zwany “romantycznie” Sgr A*. Inna olbrzymia czarna dziura znajduje się wewnątrz galaktyki M87 (zwanej Virgo A, bo widoczne jest w gwiazdozbiorze Panny, łac. Virgo). Masa tego obiektu została oszacowana aż na 6,6 mld słońc i z nim także związane są badania zespołu prof.Doelemana. Obecnie powszechnie się uważa, że takie kosmiczne monstra znajdują się w centrum każdej dużej galaktyki.

Co takiego wyjątkowego jest w czarnych dziurach?

Na pewno to, że nie wiemy o nich nic ze stuprocentową pewnością. Mamy definicję, która określa czarne dziury jako ciała astronomiczne o olbrzymiej grawitacji, tak wielkiej, że nawet światło nie jest w stanie od nich uciec. A światło porusza się z największą z możliwych prędkości w naszym Wszechświecie (300000 km/s). Mamy pewną sferę wokół czarnej dziury, zwaną horyzontem zdarzeń, poza którą nie wydobywa się nic, żadna informacja. Stephen Hawking ma wprawdzie ma teorię, że czarne dziury “parują” na horyzoncie zdarzeń emitując fotony i neutrina, ale żadnego dowodu obserwacyjnego na to nie posiadamy. Zatem powstały dziesiątki teorii, które mówią co się dzieje wewnątrz czarnej dziury i żadnej pewności, która z nich opisuje rzeczywistość. Badania naukowców za pomocą Teleskopu Horyzontu Horyzonty mają ze cel bezpośrednie zarejestrowanie wpływu czarnych dziur z ich najbliższe otoczenie..

Jakie mamy teorie na temat czarnych dziur?

Wiemy, że jeśli istnieją to są zjawiskiem spoza reguł ludzkiej wyobraźni, opartej na trzech wymiarach przestrzennych i poczuciu upływającego czasu od przeszłości do przyszłości. Dobrym opisem tej sytuacji jest stwierdzenie, że natura nauczyła się dzielić przez zero w wypadku czarnych dziur. Pod horyzontem zdarzeń mamy osobliwość, gdzie przestrzeń, czas i grawitacja mają nieznane dla nas cechy. Są teorie mówiące o czasie urojonym, który płynie “w poprzek” naszego strumienia czasu.
Niewykluczone, że czarna dziura jest tunelem prowadzącym do równoległych Wszechświatów. Jedna z hipotez mówi, że nasz Wszechświat znajduje się właśnie wewnątrz z jednej czarnych dziur. Najnowsze badania naukowców pracujących przy Teleskopie Horyzontu Zdarzeń mogą pomóc w weryfikacji części z naszych teorii i je odrzucić. To będzie znaczący krok do przodu.

Takim dowodem materialnym czarnej dziury może być właśnie wykonana przez nich fotografia?

Na razie naukowcy pracujący przy projekcie ogłosili pomyślne przeprowadzenie obserwacji, których efekty będziemy najprawdopodobniej znali za kilka miesięcy. Jednak pamiętajmy, że wynikiem nie będzie klasyczna fotografia. To może być wizualizacja danych obserwacyjnych zebranych podczas projektu, matematyczne odtworzenie obrazu rejestrowanego przez radioteleskopy. Emisja radiowa nie pochodzi z wnętrza czarnej dziury, bo nie może, ale z jej bezpośredniego otoczenia. Jeśli więc mówimy w przenośni o fotografii, to może być zdjęcie horyzontu zdarzeń. Obliczenia teoretyczne wskazują się, że uzyskany obraz może przypominać święcący pierścień. Byłoby to z pewności najbardziej widowiskowe. Jest to jedna z możliwych konfiguracji, których możemy się tutaj spodziewać. Równie dobrze może być to jednak kształt sierpa księżycowego, podobny do obserwowanego parę dni przed i pod nowiu na ziemskim niebie.

W jaki sposób działa Teleskop Horyzontu Zdarzeń?

To nie jest jedno urządzenie, ale cały zespół połączonych ze sobą radioteleskopów wykorzystujący technikę zwaną interferometrią wielkobazową (ang. Very Long Baseline Interferometry – VLBI). Generalnie technikę tą używa się powszechnie w nowoczesnej astrofizyce obserwując fale radiowe o centymetrowej długości. Tego typu emisja radiowa jest wygodniejsza do analizy, bo dobrze propaguje się w atmosferze ziemskiej. W przypadki THZ wykorzystano fale sub-milimetrowe. Sprzężone ze sobą radioteleskopy kieruje się w jedno określone miejsce na niebie. Ze względu na skończoną prędkość światła, w dokładnie tym samym momencie radioteleskopy odbierają różne sygnały od wybranego źródła emisji. Badając różnice w sygnale z poszczególnych anten, jesteśmy w stanie odtworzyć matematycznie rozkład emisji radiowej, czyli innymi słowy przekształcić rejestrowany sygnał w obraz. Z tego też powodu służba czasu jest niezbędna w tego typu eksperymentach i każde z obserwatoriów posiada własny zegar atomowy, również my w Piwnicach. W najnowszych badaniach Teleskop Horyzontu Zdarzeń uczestniczyło osiem obserwatoriów – w Stanach Zjednoczonych (Kalifornia, Arizona i Hawaje), Chile , Meksyku, Antarktykce, Francji, i Hiszpanii. Nowością tego projektu jest zebrany zespół odbiorników oraz częstość, na której wykonano obserwacje.

Centrum Astronomii UMK jest członkiem European VLBI Network (EVN) wykorzystującym dokładnie tę sama technologię co Teleskop Horyzontu Zdarzeń. Nasz radioteleskop w podtoruńskich Piwnicach często bierze udział w różnych projektach VLBI, również i takich mających za cel badania czarnych dziury. System EVN tworzy ponad kilkanaście radioteleskopów – we Francji, Wielkiej Brytanii, Hiszpanii, Holandii, Niemczech, Szwecji, Włoszech, a także w Chinach, Południowej Afryce i Portoryko (Obserwatorium Arecibo). Około jedną trzecią roku uczestniczymy w różnego rodzaju obserwacjach VLBI. Nawet podczas naszejrozmowy EVN obserwuje potencjalną czarną dziurę w gwiazdozbiorze Łabędzia o nazwie Cyg X-3.

Dlaczego zainteresowała Państwa ta czarna dziura?

Jest to tzw. mikrokwazar czyli układ podwójny gwiazd, gdzie jednym ze składników jest najprawdopodobniej czarna dziura o masie około 10 mas słonecznych. W zeszłym tygodniu obiekt znowu zrobił się aktywny, co może wskazywać że czarna dziura w Cyg X-3 zaczęła “zjadać” materię swojego gwiezdnego towarzysz, którym wydaje się być błękitny olbrzym. Analizując aktywność czarnej dziury podczas okresu “zasysanej” materii zdobywamy również widzę na temat supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrum galaktyk, w tym również i Drogi Mlecznej. W przypadku gwiezdnych czarnych dziur, takich jak Cyg X-3, dynamika procesów fizycznych jest o wielewiększa w porównaniu do gigantów podobnych jak SgrA*, czyli centrum naszej Galaktyki. Inaczej mówiąc obserwujemy teraz znacznie przyspieszony film.

Może więc Centrum Astronomii UMK szybciej udowodni istnienie czarnych dziur, niż Harvard-Smithsonian Center for Astrophysic?

Naszym celem w tym akurat przypadku nie jest znalezienie bezpośredniego dowodu na istnienie czarnej dziury w Cyg X-3. Po prostu realizujemy swoje badania i jednocześnie pasje, bo astrofizyka w różnych formach jest naprawdę fascynująca. A podobno Świętego Graala może znaleźć tylko ktoś, kto go nie pożąda – więc może to właśnie będziemy my?

Dziękuję bardzo.
Dziękuję za rozmowę.