Íme a kép, amire évtizedek óta vár a tudomány: az első felvétel egy fekete lyukról

Ma délután az Event Horizon Telescope (eseményhorizont teleszkóp, EHT) nemzetközi tudományos kollaboráció kutatói publikálták egy fekete lyuk eseményhorizontjáról készült legelső felvételt. 

A megfigyelt objektum az M87 elliptikus galaxis középpontjában lévő szupermasszív fekete lyuk, amely 55 millió fényévre található a Földtől, tömege a Napunkénak 6.5 milliárdszorosa.

Fotó: Event Horizon Telescope

A bejelentéshez kapcsolódó tudományos eredményeket a kutatók az Astrophysical Journal Letters folyóirat különszámában közölték, összesen hat tanulmányban.

Mivel a fekete lyukakat semmilyen elektromágneses sugárzás (mint a fény vagy a rádióhullámok) nem hagyja el a hipotetikus Hawking-sugárzáson kívül, azok gyakorlatilag láthatatlanok. Az eseményhorizont az a határvonal, ahol a fekete lyuk gravitációs vonzása már nem teszi lehetővé az abból való távozást.

A fekete lyukakat az ütközésükből származó gravitációs hullámok első érzékeléséig kizárólag indirekt módon, környezetükre mért gravitációs hatásaik alapján lehetett megfigyelni. Csillagok vagy sűrű csillagközi anyag mellett lévő fekete lyukak magukhoz vonzzák a közeli anyagot, és akkréciós korongot hoznak létre, amely felhevül és röntgensugárzást bocsát ki, amelyet így meg lehet figyelni.

A ma publikált képen egy gyűrű alakú struktúra látható, egy központi sötét régióval – ezt nevezik a kutatók a fekete lyuk „árnyékának”. A fénylő gyűrű a fekete lyuk körüli felhevült gázok által létrehozott akkréciós korong. Az árnyékot a fény gravitációs elhajlása hozza létre a fekete lyuk eseményhorizontja körül. Ennek vizsgálatával sikerült megállapítani a gigantikus fekete lyuk tömegét is.

“Elkészítettük az első képet egy fekete lyukról. Ez fantasztikus tudományos eredmény, amelyet egy több mint kétszáz kutatóból álló csapat hajtott végre”

– jelentette diadalmasan Sheperd S. Doeleman, a Harvard & Smithsonian asztrofizikai központ vezetője.

Egy fekete lyuk akkréciós korongjának művészi koncepciója.Illusztráció: NASA/JPL-Caltech/Tóth András

Az Event Horizon teleszkóp egy négy kontinensen, Grönlandon és Hawaiin elhelyezett tagokból álló globális rádiótávcső-rendszer, amelyben összekapcsolt obszervatóriumok a Föld átmérőjével közel azonos méretű virtuális teleszkópot hoztak létre, így kombináltan létrehozva a ma bemutatott felvételt. Az EHT rendszer a Földről elérhető legnagyobb felbontással dolgozik. A ma kiadott felvétel a rádióteleszkópok által gyűjtött több petabyte információ hosszú elemzésén és feldolgozásán alapul, amelynek során fejlett algoritmusok segítségével kiegészítik a teleszkópok a Föld méretéhez képest kis számából következő hiányzó adatokat.

A kutatók több évtizede vártak erre a pillanatra, mert egy fekete lyuk közvetlen környezetének nagy felbontású megfigyelése új lehetőséget ad az általános relativitáselmélet erős gravitációs térben való tesztelésére, valamint a fekete lyukak körüli dinamikus folyamatok, valamint az általuk létrehozott jetek képződésének megértésére. A szakemberek szerint a megfigyelések eddig jól passzolnak a meglévő elméletekkel, így az általános relativitáselmélet előrejelzéseivel is.

Hogyan jött létre a kép?

A Föld különböző pontjain, az EHT projektben részt vevő rádióteleszkópokat egy úgynevezett „nagyon hosszú alapvonalú interferometria” (VLBI) technológia révén kapcsolták össze. A szakemberek ennek segítségével a bolygónk átmérőjével azonos méretű virtuális rádióteleszkópot hoztak létre. Az EHT így a Földről elérhető legnagyobb felbontású felvételeket képes produkálni. Ehhez a rádióteleszkópok milliméteres és szubmilliméteres rádióhullám tartományban dolgoznak. Az M87 galaxis közepén lévő fekete lyukról készült mérések 1,3 milliméteres hullámhosszban készültek.

Az ALMA rádiótávcső hálózat Chilében. Forrás: ESO

Az EHT kollaboráció európai része két obszervatóriumból, a spanyolországi 30 méteres IRAM rádiótávcsőből és a francia NOEMA 10 rádióteleszkópból álló antennarendszeréből tevődik össze. Ehhez csatlakozik a részben az Európai Déli Obszervatórium által működtetett ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) 66 rádiótávcsőből álló struktúra, az APEX prototípus rádióantenna és az ASTE 10 méteres átmérőjű szubmilliméteres rádiótávcső Chilében, a Déli-sarkon található SPT rádiótávcső, egy 12 méteres grönlandi rádiótávcső, a mexikói Nagy Milliméteres Teleszkóp (LMT), illetve négy további obszervatórium az Egyesült Államokban, a Hawaiin működő 10,4 méteres JCMT rádiótávcső és az SMA szubmilliméteres rádiótávcső rendszer, az Arizonai SMT/ARO rádióteleszkóp és a KPNO obszervatórium.

Mi ennek a tudományos jelentősége?

Amellett, hogy szenzációs dolog először „látni" egy fekete lyukat, az eredmény három nagyon fontos tudományos kérdésre adhat választ:

  • Bár Einstein általános relativitáselméletét számtalan mérés során sikerült igazolni, sokáig nem volt teljesen biztos, hogy a téridőt rendkívül erősen meggörbítő fekete lyukak környezetében is érvényes-e. A fekete lyukak összeütközéséből származó gravitációs hullámok detekciója többnyire lezárta ezt a vitát az általános relativitáselmélet javára, de annak újabb és újabb tesztelései tovább javíthatják ismereteinket a gravitációról. Az általános relativitáselmélet előrejelzése az, hogy a fekete lyukba zuhanó gázok által kibocsátott fotonok ívelt pályákat kell, hogy kövessenek, egy fénygyűrűt hozva létre az „árnyékként" megjelenő, közel kör alakú fekete lyuk körül. Az M87 fekete lyukáról készült kép megfelel az általános relativitáselmélet predikcióinak.
  • A megfigyelések a fekete lyukak eseményhorizontját körülvevő akkréciós korong viselkedéséről és különbözőségük okairól is információkat nyújtanak majd. A kutatók egyik célja megérteni, hogy a galaxisunk középpontjában lévő Sgr A* fekete lyuk akkréciós korongja miért olyan halvány más galaxisok szupermasszív fekete lyukait körülvevő korongokhoz képest. Egy másik fontos kérdés, hogy mi okozza a fekete lyukak növekedéséhez vezető „súrlódást" az akkréciós korongban. A jelenleg legvalószínűbb elmélet szerint – amelyet az EHT felvételei képesek lesznek tesztelni – az akkréciós korong mágneses terek által keltett speciális turbulenciák miatt veszít az energiájából, lehetővé téve, hogy anyag essen be a fekete lyukba.
  • Az EHT segíthet megérteni, hogy mi okozza a relativisztikus jetek képződését – ezeket leginkább galaxisok középpontjában lévő szupermasszív fekete lyukak hozzák létre. A relativisztikus jetek olyan ionizált anyagnyalábok, amelyek a forgástengely mentén távoznak a fekete lyuk akkréciós korongjából. Az M87 galaxis szupermasszív fekete lyuka által kibocsátott jet például 250 ezer fényév nagyságú is lehet. A szakemberek szerint a jetek kialakításáért a rendkívül erős mágneses terek által az akkréciós korongból nagy sebességgel kilökött forró plazma a felelős.

A fekete lyukról készült képet az Astrophysical Journal Letters folyóiratban közzétett és hamarosan elérhető cikkekben mutatják be és értékelik az EHT kollaboráció kutatói. Az elsőben a kutatók az eredményt ismertetik általános formában, a másodikban az EHT által használt rádiótávcső rendszert és műszereket, a harmadikban az adatelemzést és a kallibrációs rendszereket mutatják be. A negyedik cikk a képfeldolgozással foglalkozik, az ötödik a fekete lyuk körüli akkréciós korong fizikai eredetével, az utolsó pedig a fekete lyuk árnyékát és tömegét írja le.

Az EHT projekt a ma bemutatott eredményekkel nem ér véget, a kollaboráció a jövőben tovább fejleszti a távcsövek érzékenységét, hogy más fekete lyukakat is meg tudjanak figyelni.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: