Oto i on. Sagittarius A* – Czarne Słońce naszej galaktyki

W centrum naszej galaktyki grasuje monstrum o masie 4 milionów Słońc. Dzięki współpracy obserwatoriów z całego globu, po raz pierwszy w dziejach ujrzeliśmy zarys jego sylwetki.

To inspirujące, że dzięki naszym instrumentom potrafimy zajrzeć do naszego centrum galaktyki, oddalonego o 26 tys. lat świetlnych i zdobyć dowody na istnienie tak niezwykłego obiektu.

Steve Ritz

Kilka lat temu astronomowie z najbardziej renomowanych instytucji astronomicznych z całego świata wpadli na szalony pomysł. Postanowili połączyć siły radioteleskopów z czterech kontynentów, aby otrzymać szczegółowy obraz wnętrza oddalonej o 53 miliony lat świetlnych galaktyki eliptycznej M87. Szukali tam czegoś bardzo konkretnego: śladu obecności czarnej dziury o masie 6,5 miliarda Słońc – jednego z najdorodniejszych obiektów w tej części wszechświata. Efekt wielomiesięcznego zbierania i składania danych okazał się spektakularny. Podczas konferencji w kwietniu 2019 roku ludzkość po raz pierwszy w dziejach mogła rzucić okiem na bezpośrednią okolicę horyzontu zdarzeń oraz okalający go dysk akrecyjny.

Obserwacja M87 była ogromnym osiągnięciem astronomów i niemałym popisem inżynierów, ale jednocześnie stanowiła dopiero rozgrzewkę przed kolejną, ważniejszą turą badań. Naukowcy ani przez moment nie ukrywali, że projekt Teleskopu Horyzontu Zdarzeń wymaga rozbudowy, zaś jego głównym celem będzie zarejestrowanie obiektu oznaczanego jako Sagittarius A* – centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej. Może nie aż tak masywnej, jak jej koleżanka z M87[1], ale nadal imponującej. No i “naszej własnej”.

Wreszcie, po trzech latach oczekiwania, zespół EHT pokazał to, na co wszyscy czekaliśmy. Jednak zanim przejdziemy do kolejnej przełomowej konferencji, poznajmy nieco bliżej bohaterkę całego zamieszania.

Nawyki żywieniowe brzuchatych potworów

W samej Drodze Mlecznej może istnieć nawet 100 milionów czarnych dziur. Jednak dziury bywają naprawdę różne, a żaden obiekt nie może równać się z potworami grasującymi w samych sercach galaktyk. To prawdziwa kosmiczna elita – najwyższa kasta, określana mianem supermasywnych czarnych dziur. Astronomom zdarza się nadużywać przedrostków podkreślających ponadprzeciętne wartości, ale w tym przypadku mówienie o super-masie, jest w zupełności uzasadnione.

Pospolita czarna dziura, jakich wiele wala się po każdej galaktyce, to po prostu zdegenerowana pozostałość po śmierci dorodnej gwiazdy. Gdy nadolbrzym o masie kilkunastu Słońc ginie, poprzedzająca błysk supernowej implozja doprowadza do bezlitosnego zmiażdżenia jądra gwiazdy, co prowadzi do narodzin obiektu o ekstremalnej gęstości. Tego rodzaju obiekty mają prawo przerażać mieszkańców układu planetarnego sformowanego wokół tak skromnego ciała jak Słońce, ale jak się za moment przekonacie, w zestawieniu ze swoimi mocarnymi krewniakami zarządzającymi centrami galaktyk, to co najwyżej płotki.

Na poszlaki świadczące o istnieniu klasy supermasywnych dziur nauka natrafiła już w latach 60. ubiegłego stulecia. Wtedy to ziemskie radioteleskopy po raz pierwszy zarejestrowały zaskakująco potężne erupcje energii, docierające do nas z odległości setek milionów lub nawet miliardów lat świetlnych. Ich promieniowanie przekraczało stokrotnie jasność całej Drogi Mlecznej i biliony razy moc dowolnej pojedynczej gwiazdy. Dziś wiemy, że kwazary – jak je nazwano – to szczególny rodzaj aktywnych galaktyk, natomiast źródło ekstremalnego blasku tkwi w ich rdzeniach.

Najbardziej prawdopodobna hipoteza zakładała, że za kolosalną potęgą kwazarów stoją czarne dziury o masach i wpływie grawitacyjnym, które nie mieściły się nikomu z ówczesnych w głowie. W grę wchodziły obiekty miliony, a w skrajnych przypadkach miliardy razy masywniejsze od Słońca – otoczone przez gęste obłoki materii. To kluczowe, bo chociaż sama czarna dziura z definicji nie świeci, to opadające w kierunku horyzontu zdarzeń cząsteczki mogą być rozpędzane, ściskane i rozgrzewane do niebotycznych wartości, co prowadzi do emisji absurdalnych porcji promieniowania. Owe dyski akrecyjne należą do najwydajniejszych generatorów energii znanych naturze i zostawiają daleko, daleko, daleko w tyle wszelkie gwiezdne rekordy. Niektóre z akrecyjnych erupcji są tak obfite, że ich wyraźne światło dociera do naszych radioteleskopów z dystansu kilkunastu miliardów lat świetlnych – dosłownie z krańców obserwowalnej części wszechświata.

Kwazar PG 0052+251
Wizualizacja i zdjęcie kwazara PG 0052+251, oddalonego o 1,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi.

Pojawia się tu jednak zasadne pytanie. Dlaczego akurat odległe kwazary mogą się pochwalić posiadaniem supermasywnych czarnych dziur, a przeciętne galaktyki już nie? To podsunęło uczonym nieśmiałą myśl, że być może nie ma tu wcale żadnej dyskryminacji, a ociężałe potwory straszą w jądrach większości lub wszystkich galaktyk. Różnica polega tylko na tym, że niektóre czarne dziury pożarły już wszystko co miały do pożarcia i, podobnie do wulkanów, można je uznać za wygasłe i niegroźne. Oznaczałoby to jednak, że jeden z przedstawicieli tego gatunku może drzemać całkiem blisko, w środku naszej własnej galaktyki.

Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej

Wbrew pozorom przetestowanie hipotezy o gigantycznej czarnej dziurze nie należało do zadań łatwych. Pomyślmy o Drodze Mlecznej jak o dużej, zróżnicowanej metropolii. Układ Słoneczny znajduje się w jednym z ramion galaktyki spiralnej, 26 tys. lat świetlnych od jej jądra. Czyni nas to szczęśliwymi mieszkańcami spokojnego przedmieścia, którzy przy pomocy lunety próbują dojrzeć, co dzieje się w rozświetlonym, wiecznie zakorkowanym i spowitym gęstym smogiem centrum. Na dobrą sprawę dopiero od trzech dekad astronomowie dysponują dostateczną precyzją obserwacji, aby w ogóle myśleć o badaniach tego obszaru.

Ghez i Genzel, badacze centrum Drogi Mlecznej
Andrea Ghez i Reinhard Genzel, laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2020.

Zdobycie dowodów na istnienie czegoś niezwykłego w galaktycznym śródmieściu, zawdzięczamy przyjacielskiej rywalizacji dwóch zasłużonych ekip. Jako pierwszy wyruszył na łowy zespół z monachijskiego Instytutu im. Maxa Plancka pod wodzą Reinharda Genzela, do którego wkrótce dołączyli astronomowie z Kalifornii, na czele z Andreą Ghez (nazwiska warte uwagi, bo odpowiadają za niemal wszystkie odkrycia związane z centrum Drogi Mlecznej, co przyniosło im zasłużoną Nagrodę Nobla w 2020 roku).

Mimo pewnego opóźnienia względem Niemców, na pierwsze wiarygodne ślady centralnej czarnej dziury wpadli Amerykanie. Przewagę przyniosły im oddane wtedy do użytku – dziś cieszące się sławą niemal kultowych – hawajskie Teleskopy Kecka. Ich 10-metrowe zwierciadła wraz z zastosowaniem optyki adaptatywnej (techniki czyszczenia obrazu z szumów atmosferycznych), pozwoliły Ghez zobaczyć sam środek galaktyki. Oczom badaczy ukazały się śmigające tu i tam świetliste plamki, w rzeczywistości będące setkami gwiazd, upakowanymi ciasno na przestrzeni kilku lat świetlnych. Jeśli nasze ramię Oriona to kosmiczna prowincja, analizowany obszar można uznać za odpowiednik Manhattanu w piątkowy wieczór.

Co siedzi w centrum Drogi Mlecznej?

Jednak to, co najważniejsze czekało w samym środku. Astronomowie odnotowali obecność jakiegoś niewielkiego pod względem rozmiaru, ale bardzo silnego źródła promieniowania, wyraźnie wybijającego się ponad okoliczny szum. Badacze szybko zyskali pewność, że obiekt oznaczony jako Sagittarius A* (lub Sgr A*, dla leni), jest unikatowy w skali galaktyki. Teraz tylko należało sprawdzić, jak bardzo masywny to obiekt i czy rzeczywiście ustrzelono utytą czarną dziurę, czy może osobliwy zbiór gwiazd lub jeszcze coś innego.

Dziarska gwiazda S2

Obserwatorium Kecka z jednej strony i oddany do użytku w 1998 roku Bardzo Duży Teleskop (VLT) z drugiej, konsekwentnie prowadziły monitoring tego obszaru. Aparatura wykonywała regularne zdjęcia, co pozwoliło na skrupulatną analizę ruchu gwiazd skupionych w pobliżu Sagittariusa A*. Cierpliwość popłaciła, bo naukowcy dostali nawet więcej niż mogli oczekiwać. Jak widzicie na poniższym nagraniu, wszystkie zarejestrowane obiekty galaktycznego centrum, tańczą pod dyktando czegoś bardzo masywnego. Największe wrażenie na badaczach zrobiła gwiazda oznaczona bez specjalnej czułości jako S2, która wykonała szczególnie dramatyczny ruch. Poruszając się po wydłużonej orbicie, w momencie zbliżenia do tajemniczego źródła grawitacji, nagle nabrała prędkości rzędu 5000 km/s. Żebyśmy mieli świadomość o czym mowa przypominam, że Kula Ziemska sunie po orbicie okołosłonecznej w średnim tempie 30 km/s. Tymczasem gwiazda 15 razy masywniejsza od naszego Słońca przez moment poruszała się z prędkością 1,6% prędkości światła, wabiona przez grawitację czegoś, czego nie widać. Nie przesadzę pisząc, że to do dziś jedna z najbardziej widowiskowych obserwacji w dziejach nowoczesnej astronomii.

Czarna dziura w Drodze Mlecznej
Gwiazdy Centrum Drogi Mlecznej, wraz z niesamowitą S2. Zwróćcie uwagę na moment nagłego przyśpieszenia.

Tym sposobem zespoły Ghez oraz Genzela uzyskały wszystkie potrzebne dane. Znając przybliżoną wielkość gwiazdy, parametry jej ruchu oraz odległość od tajemniczego obiektu, wstępnie oszacowano masę Sagittariusa A* na 3,7 do 4,3 miliona Słońc. Pomyślcie o tym. Nasza maleńka planeta jest 330 tysięcy razy mniej masywna od Słońca, a Słońce pozostaje miliony (!) razy mniej masywne od Sagittariusa A*. Mówimy zatem o prawdziwej bestii, tłustym i apodyktycznym dyrygencie Drogi Mlecznej.

Astronomowie pokusili się również o wyznaczenie rozmiarów odkrytego obiektu, ponieważ wielkość horyzontu zdarzeń pozostaje ściśle uzależniona od masy dziury. Przy takim kalibrze powinniśmy mieć do czynienia ze średnicą rzędu 20-40 milionów kilometrów. Masa ponad 4 milionów Słońc pozostaje zatem skupiona na obszarze tylko kilkunastokrotnie większym od gabarytów naszej gwiazdy.

Jeśli któryś uczony żywił jeszcze jakieś wątpliwości, co do tożsamości Sagittariusa, to wyzbył się ich po kolejnej istotnej obserwacji wykonanej przez Teleskop Kosmiczny Chandra. W roku 2000 obserwatorium odnotowało nagłą, trwającą niecałe 3 godziny erupcję promieniowania rentgenowskiego. Charakterystyka tego fenomenu odpowiadała dokładnie temu, jak teoria opisywała proces spadania rozpędzonych i naładowanych cząsteczek ku horyzontowi zdarzeń. Obserwatorzy mieli szczęście. Drzemiąca zazwyczaj supermasywna czarna dziura, akurat przebudziła się na drobną przekąskę.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń

Po niespełna dwóch dekadach od sukcesów Genzela i Ghez, pojawił się ambitny pomysł wykonania kolejnego ruchu: bezpośredniego (na ile to możliwe) przyjrzenia się bestii. Byłby to nie tyle krok, co wielki skok naprzód. Przed uchwyceniem cienia M87, właściwie wszystko, co wiedzieliśmy o czarnych dziurach, pochodziło z pomiarów pośrednich; głównie z obserwacji wysokoenergetycznych procesów dziejących się w pobliżu ich siedlisk lub sąsiadujących gwiazd. Bezpośrednie oglądanie obiektu z definicji samodzielnie nieświecącego i relatywnie (jak na swoją masę) niewielkiego, przez długi czas wydawało się misją wykraczającą daleko poza techniczne możliwości jakiegokolwiek obserwatorium.

Pamiętajmy przy tym, że od galaktycznego centrum dzieli nas dystans 26 tys. lat świetlnych. Nawet jeżeli mówimy o obiekcie wielokrotnie większym od Słońca, przy tej odległości, to trochę tak jak gdyby wypatrywać Plutona w… układzie Alfa Centauri. Dodając do tego wspomniany problem zanieczyszczeń w postaci wszechobecnych gazów i pyłów, wyzwanie zdawało się beznadziejne. Konieczna była rewolucja w sposobie myślenia o prowadzeniu obserwacji. Bo po co zdawać się na jeden teleskop, skoro możemy wykorzystać całą sieć?

Teleskop Horyzontu Zdarzeń
Obserwatoria biorące udział w projekcie EHT.

Tak narodził się projekt Event Horizon Telescope (Teleskop Horyzontu Zdarzeń), zrzeszający dwanaście renomowanych instytucji naukowych wraz z należącymi do nich radioteleskopami. Wśród rozsianych po całym globie obserwatoriów znalazły się m.in. ALMA i APEX położone w Chile, Teleskop Jamesa Clerka Maxwella na Hawajach, SPT na Antarktydzie oraz Wielki Teleskop Milimetrowy w Meksyku. Wszystko po to, aby przy pomocy techniki zwanej interferometrią wielobazową stworzyć wirtualne obserwatorium, imitujące zwierciadło o olbrzymiej powierzchni i mocy niedostępnej dla żadnego pojedynczego urządzenia. (Tych, którzy chcą dowiedzieć się czegoś więcej o EHT zapraszam do lektury wywiadu, jaki przeprowadziłem z polskim inżynierem tego projektu, Maciejem Wielgusem). 

Przymiarki do obserwacji jądra Drogi Mlecznej poczyniono niemal od razu i wiele osób spodziewało się “zdjęcia” Sagittariusa już podczas konferencji wiosną 2019 roku. Zamiast tego naukowcy pochwalili się portretem czarnej dziury w M87 – leżącej nieporównywalnie dalej, ale paradoksalnie znacznie dostępniejszej. Niestety, zgodnie pierwotnymi z obawami, przebicie się przez grubą kołdrę materii Drogi Mlecznej, prowadząc obserwacje z wnętrza galaktycznego dysku, wymagało znacznie więcej wysiłku. I tak, na kolejną konferencję zespół EHT kazał nam czekać kolejne trzy lata.

Sagittarius A* i jego oblicze

Ten punkt piszę na gorąco, 12 maja, tuż po zakończonej konferencji w siedzibie Europejskiego Obserwatorium Południowego. Zgodnie z obietnicą, naukowcy skupieni wokół EHT, zaprezentowali pierwszy w historii obraz przedstawiający sylwetkę Sagittariusa A*. Oto i on:

Obraz czarnej dziury Sagittarius A*.
Obraz obiektu Sagittarius A* przedstawiony podczas konferencji prasowej 12 maja 2022.

Obyło się bez niespodzianek. Zapewne zauważyliście już, że przedstawiony rezultat prac nie różni się znacząco od tego, co uzyskano podczas obserwacji wnętrza M87. Wyniki po raz kolejny odpowiadają wiernie temu co opisywali teoretycy, co podpowiadały symulacje i co znamy z literatury. Tym, co natychmiast rzuca się w oczy jest oczywiście rozmyty, świetlisty obwarzanek, będący w istocie smugą rozgrzanej materii obiegającej krawędź czarnej dziury. Tak, jak w przypadku M87, obecność ekstremalnej masy kompletnie demoluje okoliczną czasoprzestrzeń, wykrzywiając trajektorie przemykających fotonów. W efekcie otrzymujemy surrealistyczne dzieło Matki Natury: kompletnie zniekształcony i powiększony obraz dysku akrecyjnego, w sercu którego wisi posępny “cień” horyzontu zdarzeń.

Zdaję sobie sprawę, że zaprezentowane wyniki mogą nie wydawać się efektowne z punktu widzenia przeciętnego zjadacza chleba. Wiem też, że Sagittarius A* nie należy do najbardziej fotogenicznych modeli we wszechświecie. Ot, kolejny zawieszony w przestrzeni niewyraźny pączek. Nie ma jednak wątpliwości, że projekt Event Horizon Telescope osiągnął kolejny wielki sukces, a zebrane dane – piksel po pikselu – będą latami analizowane przez naukowców z całego świata. Pozwoli to zweryfikowanie dotychczasowych modeli astrofizycznych, dalsze testowanie postulatów ogólnej teorii względności, a być może da również na stworzenie nowych hipotez dotyczących czarnych dziur.

Literatura uzupełniająca:
C. Scharf, Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2014;
K. Thorne, Czarne dziury i krzywizny czasu, przeł. D. Czyżewska, Warszawa 2004;
I. Nowikow, Czarne dziury i wszechświat, przeł. S. Bajtlik, Warszawa 1995;
Komunikat prasowy ESO, Astronomowie prezentują pierwszy obraz czarnej dziury w sercu naszej galaktyki, [online: eso.org/public/poland/news/eso2208-eht-mw/];
D. Salazar, The Event Horizon Telescope Is Trying to Take the First-Ever Photo of a Black Hole, [online: www.space.com/event-horizon-telescope-is-trying-to-photograph-black-holes.html?utm_source=notification];
C. Choi, What Exactly Is a Black Hole Event Horizon (and What Happens There)?, [online: www.space.com/black-holes-event-horizon-explained.html].
[+]
Nieobiektywny przyjaciel pana Wignera 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o sondzie Voyager 1 7 najlepszych kawałków z procesu Kitzmiller v. Dover [suplement]