Wyjaśnienie czarnych dziur: jak się tworzą, jak działają i wreszcie zostały sfotografowane

Czarna dziura jest definiowana przez NASA jako obiekt astronomiczny z przyciąganiem grawitacyjnym tak silnym, że nic, łącznie ze światłem, nie może z niego uciec. Punkt braku powrotu wokół czarnej dziury nosi nazwę horyzontu zdarzeń: wewnątrz tej granicy prędkość potrzebna do ucieczki przekracza prędkość światła, więc nic, co ją przekroczy, nie może wrócić.

Jak tworzy się czarna dziura

Najlepiej rozumiana droga to zapaść gwiazdowa. Według NASA gwiazda z masą ponad około 20 razy większą od masy Słońca ostatecznie wyczerpuje paliwo jądrowe w swoim jądrze i zapada się pod działaniem własnej grawitacji. Ta zapaść wyzwala wybuch supernowej, który odrzuca zewnętrzne warstwy gwiazdy. Jeśli pozostałe jądro nadal przekracza około trzy masy Słońca, NASA stwierdza, że żadna znana siła nie może powstrzymać zapaść przed kontynuacją do czarnej dziury.

Raz utworzona czarna dziura może rosnąć poprzez zaciąganie otaczającego gazu, odrywanie materiału od gwiazdy towarzyszącej lub łączenie się z inną czarną dziurą, wyjaśnia NASA na swojej stronie przeglądu czarnych dziur.

Nadmasywne czarne dziury, znalezione w centrach galaktyk i wahające się od około 100 000 do miliardów mas Słońca według NASA, są słabiej rozumiane. NASA zauważa, że ich pochodzenie pozostaje otwartą kwestią, ponieważ wydają się istnieć od najwcześniejszych etapów formacji galaktyk.

Horyzont zdarzeń, osobliwość i części czarnej dziury

Opis NASA 'anatomii' czarnej dziury wymienia kilka odrębnych stref. W centrum znajduje się osobliwość, punkt, w którym materia jest ściskana do tego, co NASA opisuje jako nieskończoną gęstość; naukowcy nie są pewni, czy jest to struktura fizyczna czy artefakt matematyczny równań. Otaczający go horyzont zdarzeń to granica braku ucieczki. Dalej światło opadającej materii może krążyć wokół czarnej dziury wiele razy przed ucieczką, wytwarzając cienkie pierścienie widoczne wokół ciemnego 'cienia' czarnej dziury na obrazach bezpośrednich — region, który NASA nazywa sferą fotonów.

Materia opadająca w kierunku czarnej dziury zwykle tworzy gorący, świecący dysk akrecyjny przed przekroczeniem horyzontu zdarzeń. W wielu systemach część tego materiału jest zamiast tego przekierowana do strumieni cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła; w nadmasywnych czarnych dziurach te strumienie mogą rozciągać się na setki tysięcy lat świetlnych, mówi NASA.

Udowadniające istnienie czarnych dziur: Penrose, Genzel i Ghez

Przez dziesięciolecia czarne dziury były matematyczną konsekwencją ogólnej teorii względności Einsteina, a nie potwierdzaną rzeczywistością fizyczną. Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała połowę Nagrody Nobla z Fizyki 2020 roku Rogerowi Penrose'owi, którego dowód z 1965 roku — opisany w własnym ogłoszeniu Akademii, zgłoszony przez ScienceDaily — wykazał, że formacja czarnej dziury jest solidnym i nieuniknionym przewidywaniem ogólnej teorii względności, gdy wystarczająco masywne, zwarte ciało ulegnie zapaści, i że taka zapaść koniecznie tworzy osobliwość.

Druga połowa tej nagrody przypadła wspólnie Reinhardowi Genzelowi i Andrezie Ghez, którzy prowadzili oddzielne zespoły śledzące orbity gwiazd w centrum Drogi Mlecznej przez dziesięciolecia, używając niektórych z największych teleskopów na świecie. Ich praca, również podsumowana w ogłoszeniu Nagrody Nobla pokrytym przez ScienceDaily, znalazła niewidzialny obiekt około czterech milionów mas Słońca skoncentrowany w obszarze nie większym niż system słoneczny — silny dowód na nadmasywną czarną dziurę znaną teraz jako Strzelec A*.

Wykrywanie niewykrywalnego: fale grawitacyjne i obrazy bezpośrednie

14 września 2015 roku bliźniacze detektory Advanced LIGO zarejestrowały sygnał oznaczony jako GW150914, odpowiadający przewidywanej formie fali dwóch czarnych dziur spiralnie zbliżających się i łączących się. Według własnego podsumowania naukowego LIGO Scientific Collaboration, dwie czarne dziury miały masy około 36 i 29 razy większe od Słońca, łącząc się w jedną czarną dziurę około 62 mas Słońca ponad miliard lat świetlnych; około trzy masy Słońca zostały zamienione na energię fal grawitacyjnych w ułamku sekundy. Detekcja miała znaczenie statystyczne ponad 5 sigma, oznaczające, że fałszywy alarm tej siły byłby oczekiwany mniej więcej jeden raz na 200 000 lat porównywalnych danych, raportuje LIGO.

Cztery lata później Współpraca Event Horizon Telescope (EHT) wydała pierwszy w historii obraz cienia czarnej dziury, wykonany z M87*, nadmasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87. Jak wyjaśnia Laboratorium Napędu Reaktywnego NASA, EHT łączy radioteleskopy na całym świecie w jeden wirtualny instrument, używając interferometrii bardzo długich linii bazowych, osiągając rozdzielczość około 4000 razy ostrzejszą niż teleskop kosmiczny Hubble'a. Kampania obserwacyjna z kwietnia 2017 roku stanowiąca podstawę obrazu, wydanego w 2019 roku, zmierzyła M87* na około 6,5 miliarda mas Słońca, położoną około 53 miliony lat świetlnych.

12 maja 2022 roku Współpraca EHT wydała drugi przełomowy obraz: Strzelec A*, centralną czarną dziurę Drogi Mlecznej. Jak opisane przez AAS Nova, podstawowe dane zostały zarejestrowane w kwietniu 2017 roku, co oznacza, że minęło więcej niż pięć lat między obserwacją a wydaniem obrazu. Strzelec A* ma około czterech milionów mas Słońca i znajduje się około 27 000 lat świetlnych — co oznacza, że wydaje się mieć mniej więcej ten sam pozorny rozmiar na niebie co znacznie bardziej masywny i odległy M87*, ponieważ M87* jest około 2000 razy dalej i około 1500 razy bardziej masywny. Zmierzone rozmiary pierścienia i cienia obu czarnych dziur odpowiadały przewidywaniom ogólnej teorii względności, zgodnie z AAS Nova, dając astronomom niezależne potwierdzenie teorii Einsteina w stosunku do czarnych dziur o znacznie różniących się masach.

Dlaczego to ma znaczenie dla fizyki

Każdy z tych wyników sprawdza ogólną teorię względności w reżimie, który Einstein nie mógł bezpośrednio obserwować: materia i czasoprzestrzeń pod ekstremalną grawitacją. Sygnał fali grawitacyjnej z GW150914 odpowiadał formie fali przewidywanej przez ogólną teorię względności dla inspiracji, połączenia i następującego 'wygaśnięcia' powstałej czarnej dziury, zgodnie z analizą LIGO. Zmierzone przez EHT średnice pierścieni zarówno dla M87* jak i Strzelca A* również odpowiadały przewidywaniom ogólnej teorii względności, zgodnie z AAS Nova, dając naukowcom dwie niezależne metody potwierdzenia — fale grawitacyjne i obrazowanie bezpośrednie — które zbiegają się na tej samej teoretycznej strukturze.