Jak se fotí černá díra, a proč potřebujete teleskop velikosti Země

  14:03aktualizováno  14:03
Na několika souběžně probíhajících tiskových konferencích po celém světě byl představen první snímek bezprostředního okolí černé díry. Jak se vlastně pořizuje?

Co zveřejnili?

Tisková konference proběhla podle plánu, a hned na jejím začátku došlo k odhalení fotografie, o které se spekulovalo. Více se můžete dozvědět v našem článku.

Černá díra v jádru galaxie M87

Černá díra v jádru galaxie M87

Nejdůležitější závěry z tiskové konference najdete v tomto článků.

Existenci černých děr předpověděly fyzikální teorie staré více než století, najít a pozorovat je ve vesmíru byl ovšem pro astronomy dlouho velký problém. Jak nepochybně víte, jde o objekty, které se vlastní hmotností zhroutí a vytvoří místo, kde v podstatě nic není tak, jak jsme z běžného vesmíru zvyklí.

Jejich gravitace je natolik silná, že jim neunikne světlo ani jiné elektromagnetické záření, a tak představují temná místa ve vesmíru. (Nechejme teď stranou fakt, že černé díry se podle teoretických předpovědí „odpařují“ díky tzv. Hawkingovu záření, protože zatím nevíme, zda existuje a jak ho pozorovat.)

Astronomové tedy mohli černé díry vždy pozorovat pouze nepřímo. Například pomocí pohybu hvězd či jiné hmoty uvězněné na oběžných drahách kolem těchto extrémně hmotných objektů. Díky rychlosti oběhu hvězdy S2 kolem černé díry Sagittarius A* v jádru naší galaxie odhadujeme, že má hmotnost kolem čtyř milionů Sluncí. Průměr horizontu událostí, tedy místa, ze kterého se nevrátí ani světlo, je cca 24 milionů kilometrů, tedy sedmnáctkrát větší než průměr Slunce.

Ale jak vlastně černá díra ve svém „přirozeném prostředí“ vypadá, to jsme dlouho nevěděli. Astrofyzikům by přitom podobné snímky mohli pomoci ověřit platnost řady teorií a hledat inspiraci pro nové - možná i takové, které by například dokázaly sjednotit teorii relativity s teorií kvantovou.

V roce 2016 se projektu LIGO podařilo zachytit gravitační vlny vzniklé při srážce dvou černých děr. a poprvé se přímo dozvědět něco o černých dírách. Dokonce se podařilo sladit pozorování pomocí gravitačních vln s prací „klasických“ teleskopů a na obloze najít a přímo pozorovat následky srážky dvou černých děr.

A ve středu kolem třetí hodiny SELČ se zřejmě dočkáme prvního skutečného snímku černé díry. Na toto datum oznámili astronomové sdružení v projektu Event Horizon Telescope (EHT) zveřejnění výsledku pokusu, na kterém pracují již několik let.

Podílí se na něm stovky vědců a desítky institucí z celého světa a jeho základní myšlenka je prostá: složit existující teleskopy do jednoho většího, byť pouze virtuálního zařízení. V podstatě to funguje tak, že teleskopy z různých částí světa se ve stejnou dobu zaměří na stejný objekt a vzájemně porovnají a „sečtou“ výsledky svých pozorování. Postup se nazývá interferometrie a používá se v astronomii běžně, málokdy ovšem u tak vzájemně vzdálených teleskopů. 

V případě EHT je výsledek podobný, jako kdybychom pozorovali cíl anténou s průměrem podobným, jako je maximální vzdálenost mezi jednotlivými menšími teleskopy. A protože v projektu jsou teleskopy z velké části ze západní polokoule, vlastně má k dispozici anténu s průměrem téměř tak velikým, jako je průměr Země.

Výsledkem je neuvěřitelná přesnost: kombinací simultánního pozorování několika radioteleskopů rozmístěných na různých místech naší planety se dosahuje rozlišení několika statisícin úhlové vteřiny. „To je zhruba tisícinásobný posun v rozlišovací schopnosti oproti možnostem, jakých dosahují ty největší pozemské optické dalekohledy,“ komentuje Michal Bursa z Astronomického ústavu. S podobnou přesností byste mohli ze Země na Měsíci najít objekt velikosti tenisáku.

Ukázka toho, jak by mohl vypadat snímek černé díry na snímku projektu EHT....

Ukázka toho, jak by mohl vypadat snímek černé díry na snímku projektu EHT. Vlevo je výsledek fyzikální simulace, vpravo to, jak by měla vypadat na výstupu z EHT.

Zamrzlá data

Pozorování probíhala vždy jen několik dní v roce během dopředu určeného okna, kdy jsou na obloze oba vybrané cíle: již zmíněná černá díra Sagittarius A* v jádru Mléčné dráhy a ještě větší objekt v jádru sousední galaxie M87. 

Myšlenka vzniku EHT se objevila před 20 lety, jeho možnosti rostly ovšem postupně s tím, jak se rozrůstal o další observatoře a zlepšovaly se technologické možnosti. V roce 2012 zachytil projekt ohromný a výtrysk hmoty z černé díry v galaxii M87, o kterém zatím nevíme, jak vzniká. V roce 2015 pak zachytily alespoň částečně podobu magnetického pole kolem „naší“ černé díry. Ale na zaznamenání podrobností v blízkosti horizontu událostí neměla kolaborace dostatečné rozlišení a přesnost.

Na pozorování v roce 2017 do sestavy přibyla ještě anténa IRAM ve Španělsku a především obří soustava 66 antén mezinárodního teleskopu ALMA v Chile. Právě ten měl zvýšit rozlišovací schopnost o řád a umožnit nahlédnout až téměř k hranici horizontu událostí.

Odborníci doufali a čekali na výsledky. Dopředu se vědělo, že výsledky nemohou být dříve než ke konci roku 2017. Na pozorování se totiž podílí i teleskop z jižního pólu (neoriginálně nazývaný South Pole Telescope), jehož výsledky ke zpracování vždy dorazí až po konci zimy na jižním pólu, tedy v září či říjnu. Údajů z pozorování je příliš na to, aby se daly přepravovat jinak než fyzicky; z jednoho teleskopu řádově jednotky petabajtů (tj. 1015, tedy milion gigabajtů). Výsledky tedy musí přiletět ke zpracování letadlem a ta během tamní zimy k jižnímu pólu nelétají.

Ale rok skončil a tým EHT mlčel. Zpracování a „sladění“ údajů z různých teleskopů se ukázalo být nakonec ještě obtížnějším, než se čekalo. „Vzhledem k objemu dat, je to ovšem do jisté míry pochopitelné. Je jich tolik, že ještě nedávno by je vůbec nebylo možné zpracovat,“ říká Michal Bursa z Astronomického ústavu Akademie věd. 

Mimochodem, technický pokrok posledních let sehrál v pozorování ještě jednu významnou roli. Všechna pozorování probíhají v oblasti mikrovln (cca 0,3 až 300 GHz). Jiné části spektra se nehodí. Viditelné světlo k nám ze středu galaxií nedoputuje, protože ta je plná hmoty, rentgenové záření zase pohltí atmosféra, pozorování v rádiovém spektru nemá dostatečnou přesnost a plete se do něj spousta jiných zdrojů.

Mikrovlny tyto problémy nemají (nebo jsou řešitelné), a tak představují nejlepší možnost, jak podobné objekty pozorovat. Ovšem celý obor „mikrovlnné astronomie“ je relativně mladý. Vhodná technika je k dispozici poměrně krátkou dobu, jen pár desetiletí a stále se poměrně rychle zlepšuje a vyvíjí.

Co vlastně uvidíme?

Pojďme se věnovat tomu, co nejspíše ve středu odpoledne spatříme. Odborníci jsou si tím takřka jistí: podle nich se objeví nějaká podoba kruhové tmavé výseče se světlejšími okraji. Možná něco podobného jako na obrázku, který byl podkladem pro film Interstellar.

Takto by se černá díra nejspíše (tedy na základě dnešních fyzikálních znalosti)...

Takto by se černá díra nejspíše (tedy na základě dnešních fyzikálních znalosti) jevila pozorovateli ve skutečnosti (jde tedy o černou díru s pomalejší rotací, než by měl filmový Gargantua, jak si můžete všimnout podle pravidelného tvaru středového kruhu)

Ta byla vytvořena na základně současných teoretických předpovědí podoby černé díry (byť samozřejmě s jistou mírou umělecké licence). „Kdyby se objevilo něco jiného, než předpovídají modely, šlo by o ohromné překvapení,“ říká Michal Bursa. Dnešní modely jsou založeny na velmi dobře osvědčených a mnohokrát dokázaných předpovědích teorie relativity.

Co na něm je vidět? Černá díra je skryta v temném kotouči uprostřed. Na snímku září hmota v disku, který velkou rychlostí rotuje kolem díry. Jak rychle, závisí na hmotnosti díry - u těch supermasivních v jádru galaxií jsou ovšem rychlosti poměrně malé, řádově v tisícovkách stupňů. Hmota tedy září převážně v optickém nebo infračerveném spektru. (U menších černých děr tzv. hvězdných hmotností je rotace rychlejší a hmota může být zahřátá až na miliony stupňů a zářit tedy ve všech možných částech spektra)

Z toho také vyplývá, že snímek nebude úplně stejný - a zřejmě ani tak spektakulární jako ve filmu. Svítící disk vysoce hmoty bude v mikrovlnném spektru, kde pozorování probíhá, bohužel neviditelný. Zdá se tedy pravděpodobnější, že půjde v podstatě o světlý kroužek kolem černého kruhu.

Výsledný obraz bude i tak ovšem složitější, než se na první pohled zdá, protože ve hře jsou jevy, se kterými nemáme zkušenosti. Můžeme si to ukázat ještě jednou na modelu, který byl výchozím bodem pro autory Interstellar:

Vizualizace podoby plynového disku kolem černé díry ve filmu Interstellar....

Nahoře vlevo vidíte skutečnou podobu plynového disku kolem černé díry, nezkreslenou gravitačním polem kolem objektu. Na snímku je ovšem jeho obraz několikanásobný, protože černá díra ohýbá světlo ve své blízkosti a dává mu zcela nečekanou dráhu. My tedy například nad černou dírou a v menší míře i pod ní vidíme tu část disku, která je přímo za ní. Světlo, které do černé díry nespadne, ji obtéká trochu jako voda kámen v potoce a nedoputuje k nám tedy přímo, ale „oklikou“ kolem černé díry. 

Samotná „hranice“ černé díry, tedy horizont událostí, přitom není celý černý terč vpředu, ale jen jeho menší část (pro představu řekněme třetina, to ovšem není zcela přesný údaj). Těsně nad horizontem událostí totiž leží podle simulací oblast, ve které panuje tak silná gravitace a nestabilní podmínky, že se v ní žádná hmota neudrží a rychle padá do černé díry.

Všimněte si také, že na této ilustraci je černá díra poněkud „zploštělá“ do strany. To proto, že jde o model extrémně rychle rotující černé díry. Na dnes zveřejněném snímku ovšem patrně nic takového neuvidíme „Snímek nejspíše nebude mít takové zrychlení, aby na něm tento efekt byl vidět,“ říká Michal Bursa.

Jak to dopadlo?

Tisková konference proběhla podle plánu, a hned na jejím začátku došlo k odhalení fotografie, o které se spekulovalo. Více se můžete dozvědět v našem článku.

Černá díra v jádru galaxie M87

Černá díra v jádru galaxie M87

Čímž se dostáváme k poslednímu bodu: snímek zřejmě nebude tak kvalitní jako dnešní simulace černých děr. „Kolegové si dělají legraci, že kdybych rozmazal svojí simulaci černé díry, tak to od představovaného snímku nikdo nepozná,“ říká český astrofyzik.

Důležitější podle něj je, že půjde o začátek nové etapy astronomie. „Přirovnal bych to k vypuštění Hubbleova teleskopu,“ říká Michal Bursa a vysvětluje: „Ve stejném spektru jsme předtím pozorovali roky, ale najednou jsme měli mnohem detailnější snímky a s úžasem jsme zjišťovali, jak se je vesmír plný galaxií a jaké mají nejrůznější tvary.“

Nejdůležitější závěry z tiskové konference najdete v tomto článků.

 

Nejčtenější

„Převrat“ od Nikoly Tesly, který se v praxi nikdy neujal

Dobový snímek prototypu Teslovy turíbny s odhalenými disky rotoru.

Když se Nikoly Tesly na konci jeho života ptali, co považuje za svůj největší vynález, označil za něj údajně svou...

Soukromá kosmická loď pro lety s posádkou při zkoušce vybuchla

Elon Musk a vpravo záběr z jediného zatím dostupného neoficiálního videa, které...

Firma SpaceX během testů únikových raketových motorů přišla o jeden exemplář lodě Crew Dragon. Stroj, který za sebou...

USA budují Vesmírné síly. Evropa ani Rusko nemají potřebné technologie

Nejsilnější raketou současnosti je Falcon Heavy od společností SpaceX. Motory...

K zahájení budování samostatných Vesmírných sil Spojených států zbývá už pouze jeden legislativní krůček. Základní...

Neuvěřitelné množství chyb! Jako zázrakem většina lidí havárii přežila

Pohled na kokpit, patrný je splasklý skluz. Boeing 707 společnosti BOAC...

Piloti letu BA712 společnosti BOAC udělali koncem šedesátých let jednu fatální chybu. Neaktivovali hasicí zařízení...

U nás bude pivo, básnil zajatý Američan. Čtyřicet nacistů se mu vzdalo

Takto zachytil americké námořníky s pivem dokumentární film The Fighting Lady z...

I lži, sliby a prázdné výhrůžky dokážou vyhrát bitvy a zvrátit konflikty. Povedlo se to famóznímu Skotovi Tommymu...

Další z rubriky

Konec legrace, roboti se učí chodit jako děti. Pomáhá jim neuronová síť

Roboti se učí chodit (ilustrační foto)

Chůze robotů bývá často trhaná, nejistá... zkrátka robotická. Vědci nyní přišli s metodou, jak robotické pohyby...

Očkování by rodiče měli probrat s lékařem, řekl vakcinolog v Rozstřelu

Vakcinolog Igor Kohl v diskusním pořadu Rozstřel. (9. dubna 2019)

Téma očkování je neustále živé především mezi rodiči. V poslední době ale tato debata nabývá na intenzitě. O vakcínách,...

Na oběžné dráze hrozí herpes. Omezí cesty k jiným planetám?

Astronaut Luca Parmitano ve skafandru „enhanced EMU“ během kontroly v...

Pobyt ve vesmíru v nás probouzí to nejhorší, k čemuž patří i spící viry. Máme ovšem tak málo informací, že není jasné,...

Najdete na iDNES.cz