Fascinantna snimka prvi put otkrila kako crna rupa guta materiju

Crne rupe navikli smo zamišljati kao svemirska tijela koja je nemoguće vidjeti jer njihovoj gravitaciji ništa ne može pobjeći, čak ni svjetlost. Kako vidjeti nešto iz čega ne dolazi nikakav signal?

No to već nekoliko godina nije sasvim tačno. Kolaboracija Event Horizon Telescope (EHT), koja je 2019. objavila prvu snimku crne rupe, danas je otkrila novi pogled na masivan objekt u središtu galaksije Messier 87 (M87) - njezin izgled u polariziranom svjetlu. To je prvi put da su astronomi polarizaciju, koja je potpis postojanja magnetskih polja, uspjeli izmjeriti toliko blizu ruba crne rupe, piše Index.hr.

Ova promatranja ključna su za objašnjenje kako je galaksija M87, udaljena 55 miliona svjetlosnih godina, sposobna lansirati izuzetno moćne energetske mlazove iz svojeg središta.

"Sada vidimo sljedeći presudni dokaz nužan za razumijevanje kako se magnetska polja ponašaju oko crnih rupa i kako aktivnost u ovom vrlo kompaktnom dijelu prostora može pokretati moćne mlazove koji se protežu daleko izvan galaksije", rekla je za European South Observatory Monika Mościbrodzka, koordinatorica Radne skupine za polarimetriju EHT-a i docentica na sveučilištu Radboud u Nizozemskoj.

Prva snimka crne rupe zapravo je slika njezine sjene

Znanstvenici su 10. travnja 2019. objavili prvu sliku crne rupe - svijetlu strukturu nalik na prsten s tamnim središnjim područjem (fotografija dolje). Na njoj su zapravo zabilježeni obrisi, odnosno silueta crne rupe koja se vidi na pozadini područja uz samu crnu rupu koje se naziva horizont događaja.

Kada u crnu rupu upadaju plinovi, oni se zbog velike gravitacije trenjem zagrijavaju na temperature više od milijardu stupnjeva, zbog čega se okolina, odnosno horizont događaja, može vidjeti kao svijetlo užareno područje.

Drugim riječima, naučnici su snimili svjetlosno zračenje materije koja kruži velikom brzinom na rubu horizonta, oko područja tame koje predstavlja crnu rupu. Sredina koja je ostala tamna u tom svijetlom prstenu užarene materije je crna rupa.

Podrobnija istraživanja otkrila su polarizaciju svjetla

Nakon ovog pothvata kolaboracija EHT-a okrenula se podrobnijoj analizi podataka o crnoj rupi u galaksiji M87 u središtu zviježđa Djevice. Njena masa je šest milijardi puta veća od Sunčeve i ona je jedna od najmasivnijih poznatih crnih rupa. Podrobne analize pokazale su da je značajan dio svjetlosti zabilježene oko crne rupe u M87 polariziran.

"Ovaj je rad velika prekretnica: polarizacija svjetlosti nosi informacije koje nam omogućuju da bolje razumijemo fiziku koja stoji iza slike koju smo vidjeli u travnju 2019., što prije nije bilo moguće", objasnio je Iván Martí-Vidal, također koordinator EHT-a i ugledni istraživač na Sveučilištu u Valenciji u Španjolskoj.

Dodaje da su "za otkrivanje ove nove slike polariziranog svjetla bile potrebne godine, rada zbog složenih tehnika uključenih u dobivanje i analizu podataka".

Šta je polarizacija svjetlosti i kako do nje dolazi?

Svjetlost je elektromagnetski val koji se sastoji od dva oscilirajuća polja - električnog i magnetskog. Kako jedno polje oscilira - jača i slabi - njegova promjena pokreće stvaranje, odnosno jačanje i slabljenje drugog polja. Svako od tih polja može se predstaviti sinusoidom koja je okomito postavljena na sinusoidu drugog polja, a obje su okomite na smjer kretanja vala (slika dolje).

Svjetlost koja dolazi iz uobičajenih izvora u prirodi, kao što su primjerice Sunce, svjetiljka ili vatra, nije polarizirana. To znači da elektromagnetski valovi od kojih je sačinjena nemaju neki određen zajednički smjer orijentacije, nego su sve orijentacije podjednako zastupljene. No kada svjetlost prolazi kroz određene filtre, polarizatore, oni mogu blokirati sve orijentacije osim jedne pa tada svjetlost postaje polarizirana. Takve filtre možemo zamisliti kao uske procjepe koji omogućuju da kroz njih prolaze samo oni valovi koji osciliraju u istom smjeru u kojem je postavljen procjep (zamislite konopac koji slobodno vibrira kada je položen uzduž pukotine, a postaje blokiran kada je postavljen okomito na nju).

Za smjer polarizacije dogovorno se uzima smjer električnog polja elektromagnetskog vala. Stoga se može reći da kod nepolarizirane svjetlosti razni valovi imaju razne smjerove titranja električnog polja, dok kod polarizirane svi valovi imaju iste smjerove titranja električnog polja.

Svjetlost također postaje polarizirana kada se emitira u vrućim dijelovima prostora u kojima su prisutna vrlo jaka magnetska polja, a takav je i horizont događaja. Magnetsko polje Zemlje previše je slabo da bi značajnije utjecalo na magnetska i električna polja svjetlosti.

Poznati primjer polarizacije su sunčane naočale koje nam omogućuju da bolje vidimo za jakog sunca, tako što smanjuju sjaj svijetlih površina budući da se svjetlost djelomično polarizira i kada se reflektira. Na sličan način astronomi mogu izoštriti svoj pogled na područje oko crne rupe analizirajući kako je svjetlost koja iz nje dolazi polarizirana. Točnije, polarizacija astronomima omogućuje da mapiraju linije magnetskog polja prisutne na unutarnjem rubu crne rupe.

Fotografije otkrivaju tajne zbivanja oko crne rupe

"Novoobjavljene polarizirane slike ključne su za razumijevanje kako magnetsko polje omogućava crnoj rupi da 'pojede' materiju i pokrene snažne elektromagnetske mlazove", kaže član kolaboracije EHT-a Andrew Chael iz Princeton Center for Theoretical Science i Princeton Gravity Initiativea u SAD-u.

Svijetli mlazovi energije i materije koji izlaze iz jezgre M87 i protežu se najmanje 5000 svjetlosnih godina od njezinog središta jedno su od najtajanstvenijih i najenergičnijih svojstava te galaksije. Većina tvari koja leži blizu ruba crne rupe s vremenom upada u nju. Međutim, djelovanjem sila u sustavu neke čestice pobjegnu nekoliko trenutaka prije nego što ih crna rupa uhvati te budu izbačene daleko u svemir u obliku mlazova.

Kako bi bolje razumjeli ove procese, astronomi rade različite modele ponašanja materije u blizini crne rupe. No do sada još nisu uspjeli točno objasniti kako se mlazovi veći od galaksije emitiraju iz njezinog središnjeg područja, koje je veličine usporedive sa Sunčevim sustavom, niti kako točno materija upada u crnu rupu.

S novom EHT-ovom slikom crne rupe i njezine sjene u polariziranom svjetlu astronomi su prvi put uspjeli zaviriti u područje tik izvan crne rupe u kojem se događa ta međusobna interakcija između upadanja i izbacivanja materije.

Nova promatranja pružaju nove informacije o strukturi magnetskih polja neposredno izvan crne rupe. Tim je otkrio da samo teoretski modeli koji uključuju jako magnetizirani plin mogu objasniti ono što su zabilježili na horizontu događaja.

"Opažanja sugeriraju da su magnetska polja na rubu crne rupe dovoljno jaka da potisnu vrući plin i pomognu mu da se odupre privlačenju gravitacije. Samo plin koji sklizne kroz to jako polje može se spiralno kretati prema unutra, prema crnoj rupi", objašnjava Jason Dexter, docent na Sveučilištu Colorado u Boulderu u SAD-u, koordinator radne skupine za teoriju EHT-a.

Rezolucija EHT-a je tolika da bismo njome mogli mjeriti kreditnu karticu na Mjesecu
U promatranju središta galaksije M87 surađivalo je sedam teleskopa širom svijeta, među kojima su ALMA i APEX. Impresivna rezolucija snimke koju je uspio dobiti tim EHT-a usporediva je s onom koja je potrebna za mjerenje dužine kreditne kartice na površini Mjeseca.

Tehnološke performanse EHT-a omogućile su timu da izravno promatra sjenu crne rupe i svjetlosni prsten oko nje te polarizirano svjetlo koje jasno pokazuje da je prsten magnetiziran. Rezultati su objavljeni u dva zasebna rada u časopisu The Astrophysical Journal Letters. U istraživanju je sudjelovalo preko 300 istraživača iz više organizacija i sveučilišta širom svijeta.