Πρώτη εικόνα του Τοξότη Α*, της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας, όπως καταγράφηκε από το Τηλεσκόπιο Event Horizon. Πηγή: EHT Collaboration 

Μετάφραση: Διόδοτος


Η ιστορική εικόνα του Τοξότη Α*, όπως ονομάστηκε η μαύρη τρύπα, είναι το αποκορύφωμα μιας αστρονομικής αναζήτησης δεκαετιών – και ένα κρίσιμο βήμα προς μια νέα κατανόηση των μαύρων τρυπών, της βαρύτητας και του χωροχρόνου. 

Το μυστήριο στην καρδιά του Γαλαξία μας επιτέλους λύθηκε. Σήμερα το πρωί, σε ταυτόχρονες συνεντεύξεις Τύπου σε όλο τον κόσμο, οι αστρονόμοι του Event Horizon Telescope (EHT) αποκάλυψαν την πρώτη εικόνα του Sagittarius A*, της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας. Δεν είναι η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας που μας δίνει αυτή η συνεργασία – αυτή ήταν η εμβληματική εικόνα της M87*, την οποία αποκάλυψαν στις 10 Απριλίου 2019. Αλλά είναι αυτή που ήθελαν περισσότερο. Ο Τοξότης Α* είναι η δική μας προσωπική υπερμεγέθης μαύρη τρύπα, το ακίνητο σημείο γύρω από το οποίο περιστρέφεται ο γαλαξίας μας.

Οι επιστήμονες πίστευαν εδώ και καιρό ότι μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα κρυμμένη βαθιά στη χαοτική κεντρική περιοχή του γαλαξία μας ήταν η μόνη πιθανή εξήγηση για τα παράξενα πράγματα που συμβαίνουν εκεί – όπως τα γιγάντια αστέρια που στροβιλίζονται γύρω από ένα αόρατο κάτι στο διάστημα με ένα αξιοσημείωτο κλάσμα της ταχύτητας του φωτός. 

Ωστόσο, δίσταζαν να το πουν αυτό ευθέως. Για παράδειγμα, όταν οι αστρονόμοι Reinhard Genzel και Andrea Ghez μοιράστηκαν ένα μέρος του Νόμπελ Φυσικής του 2020 για το έργο τους σχετικά με τον Τοξότη Α*, η αναφορά τους διευκρίνισε ότι βραβεύτηκαν για «την ανακάλυψη ενός υπερμεγέθους συμπαγούς αντικειμένου στο κέντρο του γαλαξία μας» και όχι για την αποκάλυψη μιας «μαύρης τρύπας». Ο χρόνος για αυτού του είδους την επιφυλακτικότητα έχει παρέλθει.

Στο National Press Club στην Ουάσινγκτον σήμερα το πρωί, ο Feryal Özel, καθηγητής αστρονομίας και φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και μέλος του επιστημονικού συμβουλίου του EHT, παρουσίασε την εικόνα, έναν σκοτεινό δακτύλιο που πλαισιώνεται από τρεις λαμπερούς κόμβους αερίου τρισεκατομμυρίων βαθμών. «Συνάντησα [τον Τοξότη Α*] πριν από 20 χρόνια και έκτοτε τον αγαπώ και προσπαθώ να τον κατανοήσω», δήλωσε ο Özel. «Αλλά μέχρι τώρα, δεν είχαμε την άμεση εικόνα».

Οι μαύρες τρύπες παγιδεύουν οτιδήποτε πέφτει μέσα, συμπεριλαμβανομένου του φωτός, οπότε είναι, κατά μία πολύ πραγματική έννοια, αόρατες. Αλλά παραμορφώνουν τον χωροχρόνο γύρω τους τόσο έντονα που, όταν φωτίζονται από λαμπερές ροές από προσπίπτουσα ύλη που τεμαχίζεται στη βαρυτική τους λαβή, ρίχνουν μια «σκιά». Η σκιά είναι περίπου δυόμισι φορές μεγαλύτερη από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας: το σύνορό της και το καθοριστικό χαρακτηριστικό της, η γραμμή του χωροχρόνου από την οποία τίποτα από όσα περνούν δεν μπορεί να επιστρέψει.

Το EHT καταγράφει εικόνες αυτής της σκιάς χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται συμβολομετρία πολύ μακράς γραμμής βάσης (VLBI), η οποία συνδυάζει ραδιοπαρατηρητήρια σε πολλές ηπείρους για να σχηματίσει ένα εικονικό τηλεσκόπιο σε μέγεθος Γης, ένα όργανο με την υψηλότερη ανάλυση σε όλη την αστρονομία. Τον Απρίλιο του 2017 η συνεργασία EHT πέρασε αρκετές νύχτες στρέφοντας αυτό το εικονικό όργανο στον Τοξότη Α* και σε άλλες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Έχουμε ήδη δει το πρώτο τελικό προϊόν αυτής της προσπάθειας: M87*. Η ομάδα κατέγραψε επίσης τα ακατέργαστα δεδομένα για την εικόνα του Τοξότη Α* στην ίδια εκστρατεία, αλλά η μετατροπή αυτών των παρατηρήσεων σε πραγματική εικόνα πήρε πολύ περισσότερο χρόνο.

Αυτό συμβαίνει επειδή ο Τοξότης Α* αλλάζει συνεχώς. Ο Μ87*, η μαύρη τρύπα στην καρδιά του γαλαξία Messier 87 ή Μ87, είναι τόσο τεράστιος που η ύλη που στροβιλίζεται γύρω του χρειάζεται πολλές ώρες για να ολοκληρώσει μια πλήρη τροχιά. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να την κοιτάζετε για μεγάλο χρονικό διάστημα, και αυτή θα αλλάξει ελάχιστα. Ο Τοξότης Α* έχει πάνω από 1.000 φορές μικρότερη μάζα, οπότε αλλάζει περίπου 1.000 φορές ταχύτερα, καθώς η ύλη κινείται σε πιο στενές και γρήγορες τροχιές γύρω από τη μαύρη τρύπα. Η Katie Bouman, η επιστήμονας υπολογιστών και αστρονόμος του Caltech που είναι συν-επικεφαλής της ομάδας εργασίας απεικόνισης του EHT, δήλωσε ότι η ύλη περιστρέφεται γύρω από τον Τοξότη Α* τόσο γρήγορα που αλλάζει «λεπτό προς λεπτό». Φανταστείτε να τραβήξετε μια φωτογραφία time-lapse μιας σφαίρας που επιταχύνει – κάτι τέτοιο δεν είναι εύκολο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η εξαγωγή μιας καθαρής εικόνας του Τοξότη Α* από τα δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά την πορεία παρατήρησης του 2017 ήταν έργο πολλών ετών.

Αν η ασταθής φύση του Τοξότη Α* τον έκανε δύσκολο να τον δει κανείς, τον καθιστά επίσης ένα συναρπαστικό εργαστήριο για μελλοντικές μελέτες των μαύρων τρυπών και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, την ιερή θεωρία του για τη βαρύτητα. Μέσα από δεκαετίες μελέτης με κάθε είδους τηλεσκόπια, οι αστρονόμοι γνώριζαν ήδη τις βασικές μετρήσεις του Τοξότη Α* (τη μάζα, τη διάμετρο και την απόστασή του από τη Γη) με μεγάλη ακρίβεια. Τώρα, επιτέλους, απέκτησαν τη δυνατότητα να τον παρακολουθήσουν να εξελίσσεται – να τον παρακολουθήσουν να τρέφεται με φλεγόμενα, αναβοσβήνοντα ρεύματα ύλης – σε πραγματικό χρόνο.

Σηκώνοντας ένα πολυεπίπεδο πέπλο

Οι επιστήμονες άρχισαν να υποψιάζονται ότι μια μαύρη τρύπα καραδοκεί στην καρδιά του Γαλαξία μας στις αρχές της δεκαετίας του 1960, λίγο καιρό μετά την ανακάλυψη των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων – εξαιρετικά φωτεινές περιοχές στους πυρήνες ορισμένων γαλαξιών που φωτίζονται από αχόρταγα τροφοδοτούμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Από τη δική μας οπτική γωνία εδώ στη Γη, οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες αποτελούν παρελθόν – τους βλέπουμε μόνο στο μακρινό σύμπαν. Πού πήγαν όλοι αυτοί; Το 1969 ο Άγγλος αστροφυσικός Donald Lynden-Bell υποστήριξε ότι δεν πήγαν πουθενά. Αντίθετα, είπε, απλώς πήγαν για ύπνο μετά το βαρύ γεύμα τους – οι αδρανείς υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, προέβλεψε, κοιμούνται παντού γύρω μας στις καρδιές των σπειροειδών γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου και του δικού μας.

Το 1974 οι Αμερικανοί αστρονόμοι Bruce Balick και Robert Brown έστρεψαν ραδιοτηλεσκόπια στο Green Bank, W. Va., στο κέντρο του Γαλαξία μας και ανακάλυψαν μια αμυδρή κηλίδα που υποπτεύθηκαν ότι ήταν η κεντρική μαύρη τρύπα του γαλαξία μας. Βρήκαν την κηλίδα σε ένα κομμάτι του ουρανού γνωστό ως Τοξότης Α. Η ακτινοβολία από τη νέα πηγή φώτιζε -ή «διεγείρει»- τα γύρω νέφη υδρογόνου. Ο Brown δανείστηκε από την ονοματολογία της ατομικής φυσικής, στην οποία τα διεγερμένα άτομα σημειώνονται με αστερίσκο, και ονόμασε το νεοανακαλυφθέν στίγμα Τοξότης Α*.

Για τις επόμενες δύο δεκαετίες, οι ραδιοαστρονόμοι συνέχισαν να βελτιώνουν σταδιακά την εικόνα του Τοξότη Α*, αλλά περιορίζονταν από την έλλειψη κατάλληλων τηλεσκοπίων, τη σχετικά πρωτόγονη τεχνολογία (σκεφτείτε τη μαγνητική ταινία από μπομπίνα σε μπομπίνα) και την εγγενή δυσκολία να κοιτάξουν στο γαλαξιακό κέντρο.

Ο Τοξότης Α* κρύβεται από ένα πολυεπίπεδο πέπλο. Το πρώτο στρώμα είναι το γαλαξιακό επίπεδο – 26.000 έτη φωτός αερίου και σκόνης που εμποδίζουν το ορατό φως. Τα ραδιοκύματα περνούν ανεμπόδιστα μέσα από το γαλαξιακό επίπεδο, αλλά καλύπτονται από το δεύτερο στρώμα του πέπλου – την οθόνη σκέδασης, ένα ταραχώδες κομμάτι του διαστήματος όπου οι διακυμάνσεις της πυκνότητας του διαστρικού μέσου βγάζουν τα ραδιοκύματα ελαφρώς εκτός πορείας. Το τελευταίο στρώμα που κρύβει τον Τοξότη Α* είναι η εξαφανισμένη ύλη που περιβάλλει την ίδια τη μαύρη τρύπα. Το να κοιτάξεις μέσα από αυτό το φράγμα είναι σαν να ξεφλουδίζεις τη φλούδα ενός κρεμμυδιού. Τα εξωτερικά στρώματα εκπέμπουν φως μεγαλύτερου μήκους κύματος, έτσι ώστε η λειτουργία του VLBI με φως μικρότερου μήκους κύματος θα επέτρεπε να πλησιάσουμε πιο κοντά στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Αυτό, ωστόσο, ήταν μια μεγάλη τεχνολογική πρόκληση.

Οι αστρονόμοι που χρησιμοποίησαν άλλες τεχνικές εκτός από το VLBI είχαν αρχικά μεγαλύτερη επιτυχία, συγκεντρώνοντας σταθερά έμμεσες αποδείξεις ότι η «κηλίδα» του Τοξότη Α* ήταν στην πραγματικότητα μια κοχλάζουσα υπερμεγέθης μαύρη τρύπα. Στη δεκαετία του 1980 ο φυσικός Charles Townes και οι συνάδελφοί του έδειξαν ότι τα νέφη αερίων στο γαλαξιακό κέντρο κινούνταν με τρόπους που έβγαζαν νόημα μόνο αν βρίσκονταν υπό την επίδραση κάποιας μεγάλης, αόρατης βαρυτικής μάζας. Και στη δεκαετία του 1990 οι Ghez και Genzel άρχισαν ανεξάρτητα να παρακολουθούν τις τροχιές γιγάντιων μπλε άστρων στο γαλαξιακό κέντρο, χαρτογραφώντας την κίνησή τους γύρω από ένα βαρύ αλλά κρυμμένο σημείο περιστροφής.

Εν τω μεταξύ, η κατάσταση για τους ραδιοαστρονόμους βελτιώθηκε. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990 και στις αρχές της δεκαετίας του 2000 μια νέα γενιά ραδιοτηλεσκοπίων υψηλών συχνοτήτων άρχισε να τίθεται σε λειτουργία – τηλεσκόπια που, αν συμπληρωθούν με πολύ εξειδικευμένο εξοπλισμό, θα μπορούσαν να συμμετάσχουν σε παρατηρήσεις VLBI στις μικροκυματικές συχνότητες που πιστεύεται ότι λάμπουν από την άκρη της σκιάς του Τοξότη Α*. Ταυτόχρονα, η επανάσταση της πληροφορικής που οδήγησε σε σκληρούς δίσκους στερεάς κατάστασης και smartphones σε κάθε τσέπη αύξησε κατά πολύ τον όγκο των δεδομένων που μπορούσε να καταγράψει και να επεξεργαστεί κάθε παρατηρητήριο σε ένα δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων.

Το 2007 ένας μικρός πρόδρομος του EHT εκμεταλλεύτηκε αυτές τις τάσεις και χρησιμοποίησε ένα τρίο τηλεσκοπίων στη Χαβάη, την Καλιφόρνια και το Νέο Μεξικό για να διαπεράσει το πέπλο που περιβάλλει τον Τοξότη Α*. Απέχουν πολύ από το να δημιουργήσουν μια εικόνα, αλλά είδαν κάτι.

Οι επιστήμονες γνώριζαν εδώ και καιρό ότι μια μαύρη τρύπα θα έπρεπε, υπό ορισμένες συνθήκες, να ρίχνει ορατές σκιές. Το 1973 ο φυσικός James Bardeen προέβλεψε ότι μια μαύρη τρύπα μπροστά από ένα φωτεινό φόντο θα έδειχνε τη σιλουέτα της, αν και αποφάσισε ότι «δεν φαίνεται να υπάρχει ελπίδα να παρατηρηθεί αυτό το φαινόμενο». Και το 2000 οι αστροφυσικοί Heino Falcke, Fulvio Melia και Eric Agol είχαν δείξει ότι ένα ραδιοτηλεσκόπιο που συλλέγει μικροκύματα και έχει μέγεθος Γης θα έπρεπε να είναι σε θέση να δει τη σκιά του Τοξότη Α* ενάντια στη λάμψη του περιβάλλοντος δακτυλίου του από θρυμματισμένη ύλη.

Μισή δεκαετία αργότερα, μερικές δεκάδες αστρονόμοι και αστροφυσικοί που εργάζονται σε αυτή τη σκοτεινή γωνιά της αστρονομίας συμφώνησαν στον επίσημο στόχο της κατασκευής ενός εικονικού ραδιοτηλεσκοπίου κλίμακας πλανήτη για την παρατήρηση αυτής της σκιάς. Η πρώτη επίσημη εναρκτήρια συνάντηση για το έργο πραγματοποιήθηκε τον Ιανουάριο του 2012, και το EHT γεννήθηκε.

Πέντε χρόνια αργότερα, αφού εξελίχθηκε σε μια συνεργασία περισσότερων από 200 επιστημόνων με οκτώ συμμετέχοντα αστεροσκοπεία σε όλο τον κόσμο, η ομάδα έκανε την πρώτη της ρεαλιστική προσπάθεια να δει τη σκιά του Τοξότη Α*. Κατά τη διάρκεια 10 ημερών τον Απρίλιο του 2017, τηλεσκόπια στη Βόρεια Αμερική, τη Νότια Αμερική, τη Χαβάη, την Ευρώπη και την Ανταρκτική προσέγγισαν συλλογικά το γαλαξιακό κέντρο και άλλες μαύρες τρύπες, συγκεντρώνοντας 65 ώρες δεδομένων σε 1.024 σκληρούς δίσκους των οκτώ terabyte, τα οποία στάλθηκαν σε τράπεζες υπερυπολογιστών στη Μασαχουσέτη και τη Γερμανία για συσχέτιση. Πέντε χρόνια μετά από αυτό, οι ερευνητές του EHT έδειξαν στον κόσμο ότι το πείραμά τους λειτούργησε.


Λίγα λόγια για τον αρθρογράφο: 

Ο Seth Fletcher είναι αρχισυντάκτης στο Scientific American. Το βιβλίο του Einstein’s Shadow (Ecco, 2018) αναφέρεται στο τηλεσκόπιο Event Horizon Telescope και στην προσπάθεια να τραβήξει την πρώτη φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας. Ακολουθήστε τον Seth Fletcher στο Twitter


Πηγή: scientificamerican.com 

Πηγή μεταφρασμένου κειμένου: Διόδοτος