V roce 1919 se nyní slavná Eddingtonova expedice vydala zjistit, zda gravitace ohýbá světlo.
Šlo důležitý test správnosti Einsteinovy teorie relativity.
Výsledky pozorování úplného zatmění Slunce ukázaly, že Slunce opravdu změnilo dráhu hvězdných paprsků podle předpovědi.
Einsteina a jeho teorii to proslavilo po celém světě.
Dnes, o století později, se vědci opět vydali na cesty,
a to do ještě vzdálenějších míst rozptýlených na čtyřech kontinentech.
Znovu posunou hranice astronomického poznání
testováním stejné teorie způsobem, o kterém se Einsteinovi ani nesnilo.
Jejich cílem bylo pořídit snímek černé díry. Šlo o něco tak troufalého, že se to zdálo nemožné.
To už dnes neplatí.
VE STÍNU ČERNÉ DÍRY
Příběh černých děr začal jako záhada.
V roce 1915 si Karl Schwarzschild všiml, že tehdy nová Einsteinova obecná teorie relativity
předpovídá existenci podivných objektů známých jako 'singularity'.
Jednalo se o místa, ve kterých se jeho nové rovnice popisující gravitaci jakoby zbláznily.
Uvnitř se nacházela oblast, kde se čas zastavil a prostor se stal nekonečným...
Mnoho tehdejších vědců včetně Einsteina
je pokládalo za příliš podivné na to, aby se jimi seriózně zabývali.
Nicméně v průběhu následujícího sta let
se nashromáždily důkazy, že tyto singularity ve vesmíru skutečně existují…
Dnes jim říkáme černé díry.
"Černá díra je nejzáhadnější objekt ve vesmíru.
V ní se hmota dostává do velmi malého prostoru a má tak vysokou hustotu,
že gravitační síla brání dokonce i světlu, aby z ní uniklo.
Jsou to jednosměrné dveře vedoucí pryč z našeho vesmíru.
Víme, že se nacházejí v jádrech galaxií
a že ovlivňují, jak tyto galaxie rostou i umírají, pohlcují plyn i celé hvězdy.
Jde také o neuvěřitelně záhadná a tajemná tělesa,
která zaujímají místo na rozhraní dvou velkých fyzikálních teorií:
obecné teorie relativity popisující gravitaci
a kvantové mechaniky popisující chování těch nejmenších objektů.
Jestliže chcete ověřit platnost základních teorií o vesmíru,
musíte je testovat v těch nejextrémnějších vesmírných laboratořích.
A černé díry jimi jsou.
Ovšem pozorování takovýchto nejextrémnějších laboratoří vyžaduje i extrémní zařízení.
Ohromně silná gravitace černých děr nám brání vidět je přímo.
Světlo z nich nemůže uniknout a jsou dost malé.
Obrovská množství hmoty totiž stlačují do malých temných bodů.
I když existence těchto prapodivných objektů začala být široce přijímána,
zůstávalo jejich přímé pozorování nesplnitelným snem.
Po pravdě řečeno, k dosažení rozlišení potřebného k přímému pozorování černých děr
by jeden dalekohled musel mít stejný průměr jako planeta Země.
Takové rozměry jsou zjevně nedosažitelné.
Proto astronomové raději strávili celá desetiletí studiem účinků černých děr na okolní hmotu.
Ale sen o konkrétnějším důkazu existence těchto exotických objektů
byl příliš lákavý na to, aby se na něj prostě zapomnělo.
Nám všem je jasné, že z matematického hlediska černé díry existují.
Ovšem skutečně něco takového vidět je hodně přímá zkušenost
a také důležitá pro vědu i pro nás, abychom tomu věřili.
Koncem 60. let 20. století změnila astronomii nová metoda.
Nazývá se interferometrie na velmi dlouhé základně. Díky ní může více dalekohledů pracovat jako jeden celek.
Tak vnikne větší, virtuální dalekohled, který může překonat omezení týkající se velikosti dalekohledu.
S dalším rozšiřováním této metody začalo být stále jasnější, že přímé zobrazení černé díry je uskutečnitelné.
V roce 2009 se zrodil projekt Teleskop horizontu událostí (EHT)
směřující k tomuto vzrušujícímu cíli.
Spolupráce na projektu EHT je spoluprací vědců po celém světě
z mnoha různých zemí, kontinentů a institucí,
kteří tvoří dalekohled o velikosti Země s tím největším rozlišením
které je dnes současnými dalekohledy všech typů dosažitelné.
Od začátku bylo jasné, že projekt EHT bude čelit specifickým překážkám.
Ale 'vidět znamená věřit' a tým byl odhodlaný ukázat černou díru vůbec poprvé v dějinách.
K tomuto účelu bylo propojeno osm dalekohledů po celém světě.
ESO hraje klíčovou roli ve dvou z těchto teleskopů. Oba se nacházejí na planině Chajnantor v Chile.
Jde o Atakamskou velkou milimetrovou a submilimetrovou soustavu (ALMA)
a Atakamský průzkumný experiment, známý jako APEX.
Mezi další dalekohledy tvořící EHT patří 30-metrový IRAM ve Španělsku,
Velký milimetrový teleskop v Mexiku,
Submilimetrový teleskop v Arizoně,
Dalekohled Jamese Clerka Maxwella
a Submilimetrová soustava - oba na Havajských ostrovech
a konečně Jihopolární teleskop v Antarktidě.
Společně mohou dosáhnout rozlišení odpovídající čtení novin v Paříži, zatímco sedíte v New Yorku.
Brzy začalo být jasné, jak ohromné výzvy jsou s projektem spojeny.
Jakkoli jsou všechny tyto teleskopy technicky velmi pokročilá zařízení svého druhu, nebyly navrženy na vzájemné propojení.
K jejich společnému fungování jako jeden propojený interferometr bylo nutné dát dohromady početný tým.
"Jsou to inženýři, pozorovatelé, teoretici a ti všichni společně pracují,
aby nejen pořídili snímek horizontu událostí černé díry, ale abychom také rozuměli tomu, co vidíme."
Projekt dal dohromady přes 200 vědců z více než 100 institucí,
kteří se všichni při budování této zbrusu nové organizace museli řídit intuicí.
Koordinovat takto velký tým po celé zeměkouli byla pouze jedna z mnoha ohromných výzev.
V projektu, který nastavuje nová měřítka pro lidský důvtip, se toho může hodně pokazit.
A také se toho postupně hodně pokazilo...
Poruchy zařízení, výpadky proudu, málo místa pro data na disku...
Věřte, nebo ne, v jednu chvíli bylo některým vědcům během pozorování vyhrožováno střelnou zbraní...
Projekt se brzy dostal do vážných potíží...
Také umístění jednotlivých dalekohledů představovalo obrovské výzvy z praktického hlediska.
Místa s nejlepšími podmínkami pro pozorování noční oblohy jsou totiž často nejméně vhodná pro stavbu observatoří.
Dalekohledy tvořící EHT nejsou výjimkou.
Nachází se na odlehlých místech roztroušených na čtyřech kontinentech.
Mezi nimi jsou observatoře ve vyprahlé chilské poušti Atacama,
na mrazivé náhorní plošině v Antarktidě,
nebo na vrcholu spící sopky na Havaji.
Všechny tyto dalekohledy se nachází daleko od civilizace,
kde světla měst nekazí výhled na noční nebe.
Avšak pro astronomy, kteří se vypravili k těmto dalekohledům nasbírat data,
nebyla odloučenost od civilizace tím nejhorším.
K pozorování jsou ideální velmi suchá prostředí ve velkých výškách,
protože zde vodní pára v atmosféře neovlivňuje světlo přicházející z vesmírných objektů.
ALMA a APEX se nacházejí na planině Chajnantor
ve výšce 5000 metrů ve vyprahlé poušti Atacama v Chile,
která je tak nehostinná, že se zde testují vozítka určená pro průzkum Marsu.
Vzduch je zde tak řídký, že pracovníci musí používat kyslíkové láhve.
Riziku výškové nemoci byly vystaveni také pozorovatelé u Dalekohledu Jamese Clerka Maxwella
a Submilimetrové soustavy na vrcholu spící sopky Manua Kea.
V této nechráněné oblasti vysoko nad hladinou moře
čelili astronomové riziku těžké dehydratace a slunečního úpalu.
Opačný extrém na teplotní stupnici
zažívali pozorovatelé u Jihopolárního teleskopu v Antarktidě,
kteří museli vydržet dlouhá období s teplotami pod nulou
a čelit zvláštním výzvám.
V zimě tu Slunce nevychází nad obzor,
takže zde mají noc dlouhou několik měsíců.
To je skvělé pro astronomická pozorování, ale nesvědčí to lidské psychice.
Práce v těchto nepříznivých podmínkách zahrnovala i noci beze spánku.
Po téměř deseti letech přípravy byl EHT konečně připraven,
ke spojení všech osmi dalekohledů do jednoho zařízení.
Dne 5. dubna 2017 byl EHT poprvé namířen na vybraný objekt M87*,
černou díru v jádru obrovské galaxie známé jako Messier 87 a vzdálené 55 milionů světelných let od Země.
Pokus nahlédnout do temného středu galaxie vzdálené desítky milionů světelných let
může vypadat jako divný nápad.
Existuje mnoho černých děr, které jsou k nám blíž.
Nicméně M87* byl pečlivě vybrán.
Měl dvě velké výhody:
Jde o jednu z největších známých černých děr,
která dávala astronomům větší naději na její pozorování než menší černé díry v naší blízkosti.
Také není na obloze příliš daleko na severu ani na jihu,
což je zásadní, pokud ji měly pozorovat všechny teleskopy EHT současně.
Po všech těch nocích probdělých při pozorování začala další fáze celé práce.
Aby vědci zjistili, co vlastně pozorovali,
museli všechna data dát dohromady a důkladně analyzovat.
Dvě výpočetní střediska, jedno v Evropě a druhé v USA,
zkombinovala ohromující množství dat -
okolo 350 terabajtů denně z každého dalekohledu.
Data musela být synchronizována atomovými hodinami tak přesnými,
že se odchýlí o pouhou 1 sekundu za 10 milionů let,
a pak musela být přepravena na speciálních pevných discích plněných héliem.
Ruční přesun takto vzácného nákladu možná vypadá jako technicky zaostalé řešení,
avšak tyto disky obsahovaly tolik údajů, že jejich přenášení rukama
bylo občas nejrychlejším přesunem dat v dějinách.
Po nesčetných hodinách zpracovávání dat se začal rýsovat obraz.
Z tohoto snímku měly stovky vědců poznat, zda po desítkách let práce dosáhli nedosažitelného,
nebo se zbytečně namáhali.
Přestože černé díry jsou samy o sobě zcela temné,
mají vliv na dráhy fotonů prolétávajících v jejich blízkosti
a zanechávají tak nezaměnitelnou stopu ve světle z akrečního disku kolem černé díry.
Jde o velký disk tvořený hmotou postupně směřující po spirále do centra.
Tato padající hmota se velmi zahušťuje,
třením se zahřívá a vytváří zářící plazma.
Dráhu světla vyzařovanou tímto zářícím plynem určuje černá díra:
Světlo procházející v její blízkosti se ohýbá ohromnou gravitací a lemuje její okraje.
Ovšem světlo letící příliš blízko je zachyceno a už neunikne.
Tyto jevy pozorované pozemskými radioteleskopy
se projevují jako stín černé díry -
temná středová oblast rozpoznatelná v okolním zářícím plazmatu.
Po dvou letech pečlivých výpočtů byl snímek konečně hotov...
I když byl pořízen z ohromující vzdálenosti 55 milionů světelných let,
šlo na něm rozpoznat prstencovou strukturu s temnou středovou oblastí.
Poprvé v historii jsme uviděli stín černé díry!
"A pak se díváme na náš první zdroj a vidíme ten prstenec.
Vidíme horizont událostí a vidíme ten stín, temnou oblast a okamžitě víte,
že se díváte na horizont událostí černé díry ze všech stran na jednou na tomhle obrázku.
Vidíme oblast, kde se čas zastavil.
Toto je velmi odlišná část vesmíru, kterou vidíme úplně poprvé."
"Tak tohle je přesně to, co jsme hledali.
Ale po osmi letech a celém tom dlouhém zpracovávání, několika týdnech zobrazování
nám ukázali přesně to, co jsme chtěli. Nemohl jsem tomu uvěřit."
"Musím říct, že to nyní dostalo nový význam,
jelikož skutečně máme snímky, co vypadají jako simulace.
Jde o výjimečný souhlas teorie a experimentu
a výhledově lze od něj očekávat další výrazný pokrok."
Tento historický úspěch je důležitým mezníkem ve vývoji našeho porozumění vesmíru
a také dává nový vzor globální spolupráce ve vědeckém výzkumu.
Jednou z nejvíce povznášejících věcí je pro mě tým, který jsme vybudovali,
a také skutečnost, že děláme něco, o čem se říkalo, že je to nemožné.
A když nakonec uděláte to, o čem vám lidé říkali, že to nezvládnete, je to neuvěřitelný pocit.
A myslím, že celý tým je hodně, hodně hrdý na to, že se nám něco takového podařilo.
Není to jen pro nás, je to pro každého.
Rozšíření EHT nám umožní bádat o zásadních otázkách, kterými černé díry přitahují pozornost vědců:
Do jaké míry platí naše fyzikální zákony v těchto nejextrémnějších známých podmínkách?
Jak se chová plyn, záření a částice v okolí černých děr?
Které teorie jsou správné a které budou vyvráceny díky přesnějším pozorováním?
Pouze čas ukáže, která další tajemství EHT odhalí.
přepis: ESO překlad: Adam Fišer (Planetárium Ostrava)