Izvor: https://eventhorizontelescope.org/
Da bi našli pogodnu crnu rupu mnogo pomaže empirijski zakon koji su astronomi ustanovili: masa centralne crne rupe je proporcionalna masi jezgra galaksije!
Ako je galaksija eliptična na horizontalnoj osi je njena masa a ako je spiralna onda je to masa njenog centralnog jezgra. Na vertikalnoj osi je masa hipotetičke centralne crne rupe, određena obično merenjem orbitalnog kretanja zvezda i gasa (ako ga ima) u blizini središta. Lepo se vidi prosta proporcionalnost između dve mase. Izvor: https://www.universetoday.com/32175/super-size-me-black-hole-bigger-than-previously-thought/
Dakle da bi našli veliku supermasivnu crnu rupu treba nam supermasivna galaksija! Posmatračko iskustvo je pokazalo da su takve galaksije uvek eliptične i da se uvek nalaze u središtu masivnih jata galaksija.
Ako pogledamo našu vangalaktičku okolinu najbliže jato je ono koje vidimo kroz obližnje zvezde naše Galaksije od kojih su stari astronomi iz kalendarskih razloga izmislili da na nebu obrazuje siluetu Device (Virgo). To jato je zato poznato kao jato Virgo (Virgo Cluster).
Šematski prikaz trodimenzionalnog rasporeda galaksija oko naše Lokalne grupe (Local Group) koja sadrži našu Galaksiju, Andromedu, M33, i još skoro pedeset manjih galaksija. Oznake individualnih galaksija na slici su po Mesije ili NGC katalogu, a oznake jata (cluster) po sazveđu u čijem smeru na nebu ih vidimo. Najveći plavi krug ima poluprečnik od 100 miliona svetlosnih godina. Smatra se da je naša Lokalna grupa na periferiji Superjata Virgo u čijem središtu je jato Virgo (Virgo Cluster). Izvor: http://www.atlasoftheuniverse.com/virgo.html
Ovo jato sadrži preko hiljadu galaksija na srednjoj udaljenosti od oko 50 miliona svetlosnih godina od nas. Na sledećem, malo suviše fotošopiranom ali korisnom širokougaonom mozaiku, može da se dobije dobra slika o izgledu jata Virgo na nebu: https://apod.nasa.gov/apod/ap150804.html .
Ako se stavi miš na sliku mogu da se vide Mesije i NGC oznake galaksija. Odmah pada u oči da su oko centra jata sjajne, dakle gigantske eliptične galaksije M84, M86 i M87. Radna hipoteza je da su one formirane sudarima i spajanjem manjih galaksija, proces koji je verovatniji u sredini sa većom gustinom galaksija, kao što je središte jata.
Ovde nas interesuje M87, objekat koji je dobro poznat amaterima. Odmah je bilo jasno da se nešto neobično događa u ovoj galaksiji. Sva njena svojstva ukazuju da je u njenom središtu supermasivna crna rupa.
Po kretanju perifernih zvezda i milionskoj temperaturi gasa koji okružuje ovu galaksiju (taj gas se ne vidi na donjoj slici) masa M87 je procenjena na nekoliko triliona (milion miliona masa Sunca).Međutim njen prečnik je možda tek dva puta veći od prečnika naše Galaksije. Radi se dakle o daleko kompaktnijoj i masivnijoj galaksiji.
Ali pre svega to je „ispupčenje“! I na amaterskim snimcima se vidi da M87 kao da ima mali „nos“ sa jedne strane. Radio astronomi su utvrdili da je taj nos snažan izvor radio talasa a snimci visoke rezolucije su pokazali da se radi o mlazu naelektrisanih čestica koje izviru iz samog središta galaksije koje je takođe snažan izvor radio talasa i rendgenskog zračenja.
Slika visoke rezolucije galaksije M87, tačnije njenog kvadranta u kome je mlaz, dobijena Hablovim svemirskim teleskopom. Žuta „magla“ koja ispunjava sliku je svetlost milijarde zvezda koje ne mogu da se vide razdvojene. Male „flekice“ nisu zvezde već globularna (zbijena) jata ove galaksije, svako sa po pola miliona do milion zvezda. Naša Galaksija ima oko 160 takvih jata, a procena je da M87 ima preko 12 hiljada. „Oblačići“ koji se vide u mlazu su međuzvezdani gas koji je pobuđen na zračenje sudarima sa česticama mlaza. Izvor: https://www.spacetelescope.org/images/opo0020a/
U modelima crnih rupa padanje materijala na crnu rupu dovodi do stvaranje zagrejanog orbitalnog diska (tzv. „akrecioni disk“) koji zrači u svom dijapazonu elektromagnetnih talasa. Koncentrisano magnetno polje materijala koji je stvorio crnu rupu odvodi padajuće naelektrisane čestice u vidu dva mlaza duž magnetne ose. (U slučaju M87 prvi mlaz je delom u našem smeru pa je drugi drugi mlaz, u suprotnom smeru, najvećim delom iza same galaksije i teško se vidi na snimcima.)
Teorijski model okoline supermasivne crne rupe u središtu galaksija. Interpretacija je da na optičkim i radio snimcima M87 mi vidimo samo kraj recimo desnog mlaza („Relativistic jet“) i nekoliko pobuđenih regiona međuzvezdanog gasa te galaksije („Shock“). Treba obratiti pažnju koliko su male razmere na ovoj slici: tipično oko 0.1 svetlosne godine, dok su razmere regiona M87 na slici Hablovog svemirskog teleskopa gore preko pet hiljada svetlosnih godina!
Izvor: https://en.wikipedia.org/wiki/Active_galactic_nucleus
Ovakav model može da objasni posmatrana svojstva galaksije M87, kao što su mlaz i obilje emitovane energije iz centra u vidu svetlosti, radio talasa, i rendgenskog zračenja.
Masa centralne crne rupe u M87 je procenjena na preko 6 milijardi masa Sunca, ili grubo gledano, skoro dve hiljade puta više od mase centralne crne rupe u našoj Galaksiji. To znači da je i prečnik crne rupe u M87 toliko puta veći. S druge strane, M87 je oko dve hiljade puta dalje od nas nego centar naše Galaksije. Ta dva faktora se potiru, pa je po gruboj proceni ugaona veličina crne rupe u M87 oko 10-10 radijana, dakle moguća da se vidi radio-teleskopima projekta „Horizont događaja“!
Treba naglasiti da je uspeh „Horizonta događaja“ kruna skoro četiri decenije napora da se vidi šta je u centru M87.
Još početkom osamdesetih godina prošlog veka astronomi su koristeći 5-metarski teleskop opservatorije Mt. Palomar i tada najmodernije TV kamere sa pojačanjem signala, ustanovili da se sjaj M87 rapidno povećava u središte, dramatičnije nego kod „normalnih“ galaksija. To izuzetno svetlo središte se lepo vidi na gornjem snimku veće rezolucije koji je dobijen modernom elektronskom kamerom na Hablovim svemirskim teleskopom, bez zamagljenja koje donosi naša atmosfera.
Zatim je još pre 30 godina urađen prvi „zoom“ u središte galaksije M87 radioteleskopima sistema VLA u Nju Meksiku.
VLA (Very Large Array), poznat po dramatičnoj sceni u filmu „Kontakt.“ Izvor: https://en.wikipedia.org/wiki/Very_Large_Array
To je sistem od 27 povezanih radio teleskopa, maksimalno udaljenih do 21 km. Viđeni su interesantni procesi u mlazu, ali najbolja ugaona rezolucija VLA dostiže „tek“ 10-7, što je oko hiljadu puta slabije od one koja nam treba da bi videli centralnu crnu rupu. Središnji deo M87 se video samo kao sjajna maglina.
Slika gore levo prikazuje široki središnji deo M87. Vide se mlaz i ogroman oblak međuzvezdanog gasa pobuđen na zračenje. Na slici gore desno je snimak mlaza učinjen Hablovim svemirskim teleskopom. Na slici dole je zum u jezgro koji je napravio VLA. Centralni deo je sjajan usled zračenja materije koja pada na crnu rupu. Veličina narandžastog centralnog regiona je skoro hiljadu puta veća od centralne crne rupe. Izvor: http://www.messier.seds.org/Pics/Jpg/m87h9943.jpg
Naredni prodor učinjen je posle 2000-t egodine, korišćenjem VLBA, sistema teleskopa koji se prostirao preko kontinentalnog dela SAD, plus jedan na Havajima i jedan na Karibima.
Lokacije radio-teleskopa sistema VLBA (Very Large BaselineArray). Dodatni radio teleskopi su na Havajima i ostrvu St. Croix u Karibima. Izvor: https://en.wikipedia.org/wiki/Very_Long_Baseline_Array
Maksimalna udaljenost radio-teleskopa u ovom sistemu je bila preko 5 hiljada km, a radna talasna dužina je bila samo 7 mm. Viđeni su mnogi interesantno detalji mlaza i praćena njegova promenljivost, ali veličina centralnog regiona M87 na VLBA mapama je još uvek bila bar 15 puta veća od procenjenog prečnika centralne crne rupe.
Jedan od „snimaka“ mlaza i centralnog dela M87 koji je dobio sistem VLBA u toku 2007-2008 godine. Vide se detalji duboko unutar ove galaksije, ali centralna crna rupa je još uvek skrivena u nerazdvojenom narandžastom „oblaku“ nalokaciji (0,0). Izvor: https://www.aoc.nrao.edu/~cwalker/M87/
I najzad, na scenu je stupio kompleks radio-teleskopa projekta „Horizont događaja“.
Radio teleskopi projekta „Horizont događaja.“ Izvor: https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/black-holes/scientists-unveil-first-black-hole-image/
Veličina ovog interferometra je interkontinentalna, praktično globalna. U odnosu na VLBA maksimalni razmak je više nego udvostručen, a radna talasna dužina je bila 7 puta manja. . Time je konačno ugaona rezolucija sistema postala manja od očekivanog prečnika crne rupe u galaksiji M87! Vreme posmatranja je beleženo sa tačnošću od femtosekunde što je omogućilo bolje kombinovanje signala registrovanih „u isto vreme“ sa 8 lokacija. Razvijen je i novi sistem za obradu podataka i sintetisanje slike iz signala, itd.
Rezultat je slika koja je obišla svet. U sred narandžaste magline na gornjim mapama uočena je senka supermasivne crne rupe u centru M87:
Slike centralne crne rupe u galaksiji M87 koje je dobio „Horizont događaja.“ Mali beli krug ilustruju razdvojnu moć kompleksa radio-teleskopa. Izvor: https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_EHT
Pošto je crna rupa „crna“ možemo da je vidimo samo zato što blokira svetlost vrelog gasa iza nje. Sjajni polumesec je posledica svetlosti koja je „zarobljena“ u privremenoj orbiti oko crne rupe.
Pre tačno sto godina posmatranje pomračenja Sunca 1919-te godine je donelo prvu novu posmatračku potvrdu Teorije relativnosti. Kao svaka masa i Sunce zakrivljuje putanje svetlosnih zrakova koji prolaze blizu njega usled čega izgleda da su zvezde, koje su u tom momentu bliske položaju Sunca na nebu, malo pomerene dalje od Sunca. Efekat je bio mali, ali merljiv, i dramatično je afirmisao Teoriju relativnosti.
U slučaju ove crne rupe taj efekat je numerički daleko veći. Pomeranje slike svetlog gasa dalje od crne rupe čini istu većom na snimku! Kako je račun pokazao, oko 2.6 puta većom. Poređenjem sa veličinom razdvojne moći teleskopa koja se na snimku gore vidi kao mali beli krug postaje jasno da je to relativističko povećanje ugaone veličine crne rupe veoma doprinelo njenom lakšem uočavanju.
Merenjem veličine prečnika crne rupe određena je i njena masa, koja je potvrdila prethodnu procenu od oko 6,5 milijardi masa Sunca.
Recimo na kraju da je u ovom istorijskom projeku učestvovalo oko 200 astronoma, fizičara, inžinjera, i programera. Rad se nastavlja. Grupi se pridružuju tri dodatne radio opservatorije a plan je i da se smanji radna talasna dužina kako bi se povećala razdvojna moć kompleksa i pokušalo sa preciznijim studijama većeg broja supermasivnih crnih rupa. Otvoreno je novo poglavlje u astronomiji.
Kako je bilo moguće videti crnu rupu?
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
