Jak wielka jest czarna dziura w M87?

Świat błyskawicznie obiegła informacja o pierwszej w dziejach, bezpośredniej obserwacji oblicza czarnej dziury. Przyjrzyjmy się więc bliżej bestii zalegającej w centrum M87. Sprawdźmy jakie ma wymiary i co tak naprawdę mieliśmy szansę ujrzeć.

Krótko. Bardzo duża. Na tyle, że jej horyzont zdarzeń z łatwością przykryłby kilka Układów Słonecznych.

Ciut dłużej. Mówiąc o czarnych dziurach przeważnie skupiamy się na ich odmóżdżająco dorodnych masach. Nie jest to dziwne, ponieważ liczby robią tu naprawdę ogromne wrażenie. Najpospolitsze czarne dziury mogą pochwalić się masą od kilkudziesięciu do kilkuset Słońc. Z kolei w jądrach galaktyk swoje legowiska mają najbardziej mocarne bestie wszechświata z masami idącymi w miliony, a czasem nawet miliardy Słońc. Rekordzistki (w stylu NGC 1277) w tej kategorii dociągają do 20 miliardów mas Słońca, choć i bohaterka ostatnich badań – czyli czarna dziura w galaktyce Panna A (lub M87) – nie ma się czego wstydzić, ze swoją tuszą na poziomie 6,5 miliarda Słońc.

Ale co z rozmiarami? Objętość horyzontu zdarzeń – nieprzeniknionej kotary, spoza której nic nie może uciec – pozostaje ściśle uzależniona od masy. Już dawno temu fizyk Karl Schwarzschild, opierając się na ogólnej teorii względności, ukuł równanie pozwalające łatwo wyliczyć wielkość potencjalnego horyzontu dla ciała o określonej masie. Praca Schwarzschilda uświadomiła uczonym, że przeciętna czarna dziura to obiekt masywny i gęsty, ale w skali kosmicznej przeważnie bardzo drobny. Weźmy na ten przykład pozostającą w stanie agonii Betelgezę. To czerwony nadolbrzym o masie 18 Słońc, który w bliżej nieokreślonej przyszłości skończy żywot jako supernowa. Gdyby tak się zdarzyło, że gwiazda ta ulegnie przekształceniu w czarną dziurę, to średnica jej horyzontu zdarzeń nie byłaby wiele większa niż… 100 km. Żebyście zrozumieli o jak ekstremalnej kompresji mowa, zwracam uwagę, że obecnie Betelgeza posiada średnicę mierzącą grubo ponad miliard kilometrów. Więc rzeczywiście, w większości czarne dziury pozostają wręcz śmieszne małe.

Wielkość czarnej dziury w M87

Śmiechy kończą się gdy włączamy do naszych rozmyślań supermasywne czarne dziury. To zupełnie inna skala. Mowa o monstrach dysponujących nie tylko olbrzymią masą, ale również słuszną objętością. Przy masie miliona Słońc średnica horyzontu zdarzeń wynosiłaby już około 6 milionów kilometrów, w związku z czym taki obiekt byłby czterokrotnie większy od naszej Gwiazdy Dziennej. Jak więc prezentuje się zarejestrowany przez astronomów pan i władca M87? Szacunkowa masa rzędu 6,5 miliarda Słońc oznacza horyzont zdarzeń o średnicy około 38 miliardów kilometrów! To dużo, dużo więcej niż jakakolwiek gwiazda czy jakikolwiek inny zwarty obiekt w kosmosie. Układ Słoneczny, aż do orbity Plutona, nie zasłoniłby nawet 1/3 czarnej tarczy takiego giganta. Sonda Voyager 1, która została wystrzelona w 1977 roku i opuściła System Solarny, przemierzyła dopiero połowę takiego dystansu.

Muszę zwrócić uwagę na coś jeszcze. Badacze zgromadzeni wokół projektu Event Horizon Telescope, nie mogli wykonać prostej fotografii, do jakich jesteśmy przyzwyczajeni. Zgodnie z einsteinowską ogólną teorią względności, każde ciało zniekształca swoją obecnością pobliską czasoprzestrzeń. Sieć czasoprzestrzenna nie poddaje się łatwo, toteż przeważnie jej wykrzywienie pozostaje ledwo dostrzegalne. Dopiero w przypadku dużych skupisk materii, całych galaktyk lub ich gromad, można zauważyć poważniejsze efekty, jak choćby soczewkowanie grawitacyjne, objawiające się wyraźnym zakrzywieniem przechodzących przez dany obszar promieni świetlnych.

To jednak mały pikuś w porównaniu do tego, co wyprawiają fotony w sąsiedztwie horyzontu zdarzeń. Olbrzymia masa brutalnie naciska na czasoprzestrzeń, totalnie deformując obraz. Doprowadza to do groteskowej sytuacji, w której obserwujemy nie tylko zwrócony ku nam front czarnej dziury, ale również niemal całą jej powierzchnię, jak również część dysku akrecyjnego położonego za nią. To trochę tak jakbyśmy stanęli przed kimś vis-à-vis i widzieli jednocześnie jego twarz, uszy i tył głowy. Niezbyt estetyczna perspektywa, ale na szczęście wgapiając się w czerń horyzontu trudno o takie atrakcje. Ważniejsze w tym przypadku wydaje się to, że silna grawitacja tworzy też efekt powiększenia. I to całkiem pokaźny. Obserwując czarną dziurę widzimy obraz około 2,5 raza większy od rzeczywistego rozmiaru horyzontu zdarzeń. W związku z tym uchwycona przez EHT czeluść – czy też cień czarnej dziury – mierzy 90-100 miliardów kilometrów. Oczywiście z korzyścią dla astronomów. 

Schemat cienia czarnej dziury

Zdaję sobie sprawę, że zaprezentowane wyniki mogą nie wydawać się spektakularne przeciętnemu zjadaczowi chleba. Ot, zawieszony w przestrzeni rozmazany pączek. Pomyślcie jednak o tym, że oto człowiek stał się zdolny do zarejestrowania obrazu czegoś, co leży w innej galaktyce, oddalonej o niebagatelne 54 miliony lat świetlnych. To dwadzieścia razy dalej niż dystans pomiędzy Drogą Mleczną i Andromedą.

Zebrane dane będą teraz prawdopodobnie analizowane – piksel po pikselu – przez naukowców z całego świata. Pozwoli to na zweryfikowanie dotychczasowych modeli czarnych dziur, niuansów fizyki relatywistycznej, a być może da również podstawę pod nowe hipotezy.

Barionowa gra w chowanego Ultramasywna czarna dziura – pasibrzuch z Holm 15A Błękitna kropka ver. 2.0