W 1919 Artur Eddington zorganizował wyprawę naukową, aby sprawdzić czy grawitacja załamuje światło.
Był to pierwszy poważny test obserwacyjnej weryfikacji ogólnej teorii względności Einsteina.
Zgodnie z przewidywaniami, w trakcie całkowitego zaćmienia Słońca zaobserwowano, że ścieżka promieni gwiazd znajdujących się za Słońcem zakrzywiła się.
Einstein i jego prace zyskały dzięki temu sławę na całym świecie.
Teraz, po stu latach, naukowcy znów podjęli sie badań
w jeszcze bardziej odległych, niedostępnych rejonach świata na czterech kontynentach.
Po raz kolejny, dochodząc do granic wiedzy astronomicznej,
przetestują tę samą teorię w sposób, jakiego Einstein nie mógłby sobie wyobrazić.
Cel: zrobić zdjęcie czarnej dziury. Zadanie tak ambitne, że wydawało się niemożliwe...
... aż do teraz.
W CIENIU CZARNEJ DZIURY
Historia czarnych dziur zaczęła się jako zagadka.
W 1915 r. Karl Schwarzschild zauważył, że nowo powstała ogólna teoria względności Einsteina
przewiduje istnienie dziwnych obiektów zwanych obecnie "osobliwościami".
Dla pewnych wartości opracowane wzory opisujące grawitację ukazywały szalone wyniki.
Opisywały istnienie dziwacznych miejsc gdzie zatrzymywał się czas, a przestrzeń stawała się nieskończona.
Wielu naukowców tamtych czasów, łącznie z Einsteinem
uważało, że wyliczone wartości są zbyt dziwne i niewarte poważnych badań.
Jednak po stu latach
okazało się, że osobliwości jednak są możliwe i istnieją w kosmosie...
...w postaci czarnych dziur.
— Czarne dziury to najbardziej tajemnicze obiekty we wszechświecie.
Materia kurczy się w nich do tak małych rozmiarów,
że jej gęstość wytwarza siły grawitacji, które uniemożliwiają ucieczkę niczemu, nawet światłu.
Swoista ulica jednokierunkowa w kosmosie.
— Wiemy, że znajdują się one w środkach galaktyk
i wpływają na to jak galaktyki rosną i umierają pochłaniając gaz i całe gwiazdy.
Są to zagadkowe i tajemnicze obiekty,
które żyją na pograniczu dwóch wielkich teorii w fizyce:
ogólnej teorii względności, opisującej grawitację
i mechaniki kwantowej, która opisuje najmniejsze istniejące cząstki.
Jeśli chciałbyś przetestować podstawowe teorie opisujące kosmos
musiałbyś udać się do najbardziej niezwykłego laboratorium we wszechświecie —
— do czarnej dziury.
Obserwowanie najbardziej niezwykłego laboratorium wymaga również niezwykłych narzędzi.
Ogromna grawitacja czarnych dziur jest przeszkodą uniemożliwiającą ich obserwację,
pochłania przecież nawet światło, które nie może z niej uciec,
a wielkie masy materii zgniata do niewyobrażalnie gęstych punktów ciemności.
Mimo, że istnienie tych dziwnych obiektów zostało już powszechnie zaakceptowane,
zobaczenie ich bezpośrednio pozostawało niemożliwym marzeniem.
W rzeczywistości, aby osiągnąć konieczną rozdzielczość, żeby dostrzec czarną dziurę,
potrzeba by było teleskopu wielkości Ziemi.
Zdecydowanie zbyt wielki, żeby udało się go zbudować.
Astronomowie analizowali efekty oddziaływania czarnych dziur na materię wokół nich przez dziesiątki lat.
Marzenie o zdobyciu bardziej bezpośredniego dowodu na istnienie tych egzotycznych obiektów
było zbyt wielkie, by po prostu z niego zrezygnowano.
— Rozumiemy już, z matematycznego punktu widzenia, że czarne dziury istnieją,
ale zobaczenie tego na własne oczy jest zupełnie odmiennym doświadczeniem,
ważnym tak dla nauki, jak i dla nas, żeby w nie uwierzyć.
Pod koniec lat 60-tych XX wieku, nowa technologia odmieniła oblicze astronomii.
Nazwano ją Interferometrią wielkobazową (VLBI). Pozwalała na obserwowanie przestrzeni przez kilka połączonych teleskopów,
tworząc jeden wielki, "wirtualny" teleskop, który pozwala pominąć ograniczenia zależne od wielkości.
Wraz z upowszechnieniem tej metody stało się jasne, że zrobienie zdjęcia czarnej dziury stało się możliwe.
W 2009 roku stworzono projekt Event Horizon Telescope (EHT),
którego celem był ten właśnie ekscytujący pomysł.
— Projekt Event Horizon Telescope to współpraca naukowców na całym świecie,
naukowców z wielu różnych krajów, kontynentów i instytucji,
która pozwoliła na stworzenie teleskopu wielkości Ziemi,
umożliwiając uzyskanie większej rozdzielczości niż w jakimkolwiek innym teleskopie.
Od samego początku było jasne, że EHT nie będzie projektem łatwym.
Ale ponieważ "zobaczyć, znaczy uwierzyć" postanowiono utworzyć grupę, która odkryje prawdziwe oblicze czarnej dziury.
Połączono ze sobą osiem teleskopów na całym świecie.
Międzynarodowa organizacja ESO (European Southern Observatory) dedykowała dwa swoje teleskopy
znajdujące się w Andach, na płaskowyżu Chajnantor w Chile.
Największy na świecie interferometr radiowy ALMA — Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array składający się z siatki 66 radioteleskopów.
oraz 12-metrowy radioteleskop Atacama Pathfinder Experiment znany jako APEX.
Pozostałe teleskopy tworzące EHT to 30-metrowy teleskop IRAM w Hiszpanii,
50-metrowy Large Millimeter Telscope (LMT) na szczycie wulkanu Sierra Negra w Meksyku
10-metrowy Submillimeter Telescope (SMT) na południu Stanów Zjednoczonych, w Arizonie.
James Clerk Maxwell Telescope (JCMT)
i Submillimeter Array (SMA) — oba na wulkanie Mauna Kea, na Hawajach.
A także 10-metrowy South Pole Telescope (SPT) na biegunie południowym.
Razem mogą osiągnąć rozdzielczość, z którą można by było przeczytać tekst gazety w Paryżu, będąc w Nowym Jorku.
Ogromne wyzwania jakie stały przed projektem stawały się coraz wyraźniejsze.
Teleskopy te, będąc bardzo zaawansowanymi urządzeniami, nie były zaprojektowane z myślą o wspólnym działaniu.
Aby zaczęły ze sobą współpracować potrzebny był ogromny zespół.
— Inżynierowie, obserwatorzy i naukowcy współpracowali razem
nie tylko, aby uchwycić obraz horyzontu zdarzeń czarnej dziury,
ale także żeby zrozumieć co tak naprawdę zobaczyliśmy.
Przy projekcie współpracowało ponad 200 naukowców z ponad 100 różnych instytucji.
Wszyscy musieli wymyślać nowe rozwiązania w trakcie tworzenia nowej organizacji.
Koordynacja tak dużego zespołu rozsianego po całym globie była tylko jednym z wielu wyzwań.
Przy projekcie, który ustala nową poprzeczkę dla ludzkiej kreatywności, istnieje wiele rzeczy, które mogłyby pójść nie tak jak trzeba.
Tak też się działo. Raz za razem.
Awarie sprzętu. Awarie zasilania. Brak miejsca na dyskach przechowujących dane.
Wierzcie lub nie, ale naukowców pracujących w Large Millimetre Telescope w Meksyku okradano, a nawet grożono im bronią.
Istnienie projektu było zagrożone.
Lokalizacje teleskopów również powodowały spore problemy praktyczne.
Najlepsze do obserwacji nocnego nieba są najczęściej miejsca najtrudniej dostępne.
Teleskopy projektu Event Horizont Telescope nie były tu wyjątkami.
Znajdują się one w trudno dostępnych placówkach znajdujących się na czterech kontynentach.
Na jałowych przestrzeniach pustyni Atacama w Chile,
zamarzniętych pustkowiach Antarktydy,
na szczytach drzemiących wulkanów na Hawajach.
Wszystkie te teleskopy znajdują się z dala od cywilizacji,
gdzie światła miast nie zanieczyszczają nocnego nieba.
Dla astronomów, którzy wybrali się tam, aby zbierać dane,
odosobnienie było najmniejszym zmartwieniem.
Miejsce bardzo suche na dużych wysokościach — idealne dla obserwacji
ze względu na brak wody w powietrzu, która przeszkadza instrumentom w odbiorze światła obiektów astronomicznych.
ALMA i APEX znajdują sie na płaskowyżu Chajnantor
na wysokości 5000 metrów, na jałowej pustyni Atacama w Chile.
W miejscu tak nieprzyjaznym, że służy jako poligon doświadczalny dla łazików marsjańskich.
Ludzie, którzy tam pracują musza korzystać ze zbiorników z tlenem, ze względu na rozrzedzenie atmosfery na takich wysokościach.
Niebezpieczeństw chorób wysokościowych doświadczali także obserwatorzy w James Clerk Maxwell Telescope
oraz w Submillimeter Array na drzemiącym wulkania Mauna Kea.
W miejscach odsłoniętych, położonych wysoko nad poziomem morza
astronomowie są narażeni na ryzyko odwodnienia i udaru słonecznego.
Po drugiej stronie skali ekstremalnych temperatur
znajdują się obserwatorzy pracującymi w South Pole Telescope na biegunie południowym.
Przez długi czas wystawieni są na działanie temperatur poniżej zera.
Były tam niespotykane warunki.
Zimą Słońce nie pojawia się ponad horyzontem,
więc noc trwa nieprzerwanie przez kilka miesięcy.
Warunki idealne dla teleskopów, lecz trudne dla psychiki człowieka.
Wiele było bezsennych nocy spędzonych w tych nieprzyjaznych warunkach.
Po prawie 10 latach przygotowań Event Horizon Telescope był w końcu gotowy
do użycia wszystkich ośmiu teleskopów jako jednego instrumentu.
5 kwietnia 2017 roku EHT został po raz pierwszy skierowany na swój cel: czarną dziurę o nazwie M87*
w samym środku gigantycznej galaktyki Messier 87, około 55 milionów lat świetlnych od Ziemi.
Próba podglądania ciemnego serca galaktyki oddalonej o dziesiątki milionów lat świetlnych
może wydawać się dziwnym wyborem.
Jest przecież wiele czarnych dziur bliżej naszej planety.
Ale M87* była starannie wybrana.
Miała dwie duże zalety:
Jest jedną z największych znanych nam czarnych dziur,
co dawało astronomom wiekszą szansę na dostrzeżenie jej, niż znacznie mniejszych czarnych dziur w naszym sąsiedztwie.
Nie jest także wysunięta zbyt daleko na północ, ani na południe.
— to bardzo ważne skoro teleskopy w różnych miejscach na świecie miały ją obserwować w tym samym czasie.
Gdy bezsenne noce wypełnione obserwacjami dobiegły końca, rozpoczęła się kolejna część pracy.
Żeby przekonać się co zaobserwowali,
naukowcy musieli połączyć i przeanalizować zebrane dane.
Dwa centra obliczeniowe, jedno w Europie, drugie w USA,
połączyły oszałamiającą ilość danych
— przez jeden teleskop gromadzonych było około 350 terabajtów dziennie.
Dane musiały być także zsynchronizowane zegarami atomowymi, które są tak precyzyjne,
że gubią sekundę raz na 10 milionów lat.
Uzywano specjalnych dysków twardych wypełnionym helem — cichszych, wymagających mniej energii, a przede wszystkim pozwalających zapisać więcej danych.
Fizyczne przewożenie tak ważnego elementu badań wydaje się być prymitywnym rozwiązaniem,
ale dyski zawierały tak dużo danych, że było to rozwiązanie znacznie szybsze,
niż próba przesłania ich w jakikolwiek inny sposob.
Po niezliczonych ilościach godzin pracy nad danymi, zaczynał wyłaniać się obraz.
Uzyskanie wyniku dałoby odpowiedź, czy lata pracy pozwoliły osiągnąć coś nieosiągalnego,
czy poszły na marne.
Chociaż czarne dziury są całkowicie ciemne,
ich masa wpływa na ścieżki fotonów przelatujących w ich pobliżu
pozostawiając swój ślad w formie dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę
— dysku materii wirującej wokół i powoli przyciąganej do jej wnętrza.
Ta skupiona materia staje się w pewnym momencie zagęszczona tak bardzo,
że tarcie pomiędzy cząsteczkami wytwarza ciepło w postaci świecącej plazmy.
Ścieżka jaką pokonuje emitowane przez nią światło zależy od grawitacji czarnej dziury:
światło, które przelatuje blisko jest załamywane niejako ocierając się o krawędź horyzontu zdarzeń,
a światłu, które znajdzie się zbyt blisko, nie udaje się uciec.
Ten efekt obserwowany przez radioteleskopy na Ziemi
prezentuje się jako cień czarnej dziury
Ciemnego regionu otoczonego pierścieniem świecącej plazmy.
Po 2 latach starannych obliczeń zdjęcie w końcu było gotowe.
Pomimo oszałamiającej odległości 55 milionów lat świetlnych,
zdjęcie pokazało strukturę przypominającą pierścień z ciemnym regionem w środku.
Po raz pierwszy w historii ukazał nam się cień czarnej dziury.
— Po spojrzeniu po raz pierwszy na to zdjęcie widzimy pierścień.
Widzimy horyzont zdarzeń, patrzymy na ten cień, ten ciemny obszar i od razu wiemy,
że widzimy horyzont zdarzeń czarnej dziury ze wszystkich stron na raz.
Patrzymy na obszar, gdzie czas nie płynie.
To naprawdę niecodzienna część wszechświata, którą widzimy po raz pierwszy.
— To jest dokładnie to czego szukaliśmy, ale po 8 latach,
po całym tym długim procesie, kilku tygodniach generowania obrazu otrzymaliśmy dokładnie to, czego chcieliśmy.
Nie mogłem w to uwierzyć.
— Cóż, muszę przyznać, że to naprawdę ważne,
że faktycznie mamy teraz zdjęcia, które wyglądają tak samo jak symulacje.
Że mamy tę niezwykłą zbieżność między teorią i eksperymentem,
co daje nam nadzieję na przełomowe osiągnięcia w przyszłości.
To historyczne osiągnięcie jest wielkim krokiem milowym w rozwoju naszego zrozumienia wszechświata.
Ustanawia ono także nowy precedens międzynarodowej współpracy w badaniach naukowych.
— Jednym z najbardziej budujących elementów jest dla mnie to, że stworzyliśmy zespół
i fakt, że zrobiliśmy razem coś, co wydawało się być niemożliwe.
To niesamowite uczucie, gdy pod koniec dnia stwierdzasz, że zrobiłeś coś, czego ludzie mówili Ci, że nie zrobisz.
Myślę, że cały zespół jest bardzo, bardzo dumny, że osiągneliśmy coś takiego.
Nie tylko dla nas. Dla wszystkich.
Dalszy rozwój Event Horizon Telescope
pozwoli nam odkrywać odpowiedzi na kolejne pytania, które zajmują badaczy czarnych dziur:
jak dobrze nasze prawa fizyki działają w najbardziej ekstremalnych warunkach?
Jak działa mechanika gazów, promieniowania i cząsteczek wokół czarnej dziury?
Które teorie są prawdziwe, a które okażą się ślepą uliczką wraz z coraz bardziej dokładnymi obserwacjami?
Pozostaje nam czekać, aby dowiedziec się jakie jeszcze tajemnice świata odsłoni przed nami Event Horizon Telescope.
Produkcja: ESO (European Southern Observatory) Tłumaczenie: Karol Kamil Góralczyk