Τι μάθαμε από το πρώτο πορτρέτο μιας Μαύρης Τρύπας;

Τον Απρίλιο του 2019 η ομάδα του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων (Event Horizon Telescope – EHT) δημοσίευσε το πρώτο πορτρέτο μιας Μαύρης Τρύπας. Πρόκειται για τη Μαύρη Τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία Μ87 σε απόσταση 16.8 Mpc ή 55.000.000 έτη φωτός ή 5✕10²⁰ χιλιόμετρα από τη Γη!

Η παρατήρηση της Μαύρης Τρύπας είχε ήδη γίνει σε τέσσερις μέρες τον Απρίλιο του 2017 αλλά χρειάστηκε αρκετός χρόνος για να γίνει η συλλογή των δεδομένων, η επεξεργασία τους και η κατανόησή τους.

Χρησιμοποιήθηκαν 8 τηλεσκόπια από όλη την υφήλιο, μεταξύ αυτών και ένα στο Νότιο Πόλο, ο οποίος δεν είναι προσβάσιμος όλο τον χρόνο. Χρειάστηκε επομένως, η αναμονή της άφιξης του αεροπλάνου που μετέφερε τους σκληρούς δίσκους με τα δεδομένα της παρατήρησης. Το σύνολο των δεδομένων από τα 8 τηλεσκόπια αποθηκεύτηκε σε περίπου 1000 σκληρούς δίσκους.

Η επεξεργασία των δεδομένων χρειάστηκε αρκετό χρόνο και κόπο ώστε να είμαστε 100% σίγουροι για το τελικό αποτέλεσμα. Γι’ αυτό τον λόγο, δημιουργήθηκαν 4 ομάδες οι οποίες μελέτησαν τα δεδομένα ανεξάρτητα χωρίς να επικοινωνούν καθόλου μεταξύ τους. Όταν κάθισαν στο ίδιο τραπέζι μετά από μήνες, παρουσίασαν τα αποτελέσματα της πρώτης μέρας παρατήρησης (11 Απριλίου 2017) όπως φαίνονται στην Εικόνα 1.

Αρκετά κοντά θα έλεγε κανείς! Αρχικά βλέπουμε ότι όλες οι ομάδες βρήκαν μια δακτυλιοειδή μορφή και όχι κάποιον κύκλο ή δύο ανεξάρτητες πηγές στο ίδιο οπτικό πεδίο. Επιπλέον, όλες οι ομάδες εντόπισαν το νότιο τμήμα του δακτυλίου να είναι πιο λαμπρό από το βόρειο.

Στη συνέχεια ακολούθησαν την ίδια διαδικασία για όλες τις άλλες ημέρες παρατήρησης, αυτές δηλαδή των 5, 6 και 10 Απριλίου 2017. Για κάθε μια μέρα παρατήρησης, πήραν το μέσο όρο από τις 4 ανεξάρτητες ομάδες ώστε να παρουσιάσουν τις τελικές εικόνες όπως φαίνονται στην Εικόνα 2.

Τι μάθαμε όμως από όλη αυτή τη διαδικασία;

Για αρχή, επιβεβαιώσαμε ότι βρισκόμαστε σε καλό δρόμο για την πλήρη κατανόηση της συμπεριφοράς μιας μαύρης τρύπας. Τα καλύτερα υπολογιστικά εργαλεία που διαθέτουμε σήμερα για τη μελέτη αυτών των σωμάτων, είναι οι αριθμητικές προσομοιώσεις που λαμβάνουν υπόψη τους θεμελιώδεις νόμους, αυτούς δηλαδή της γενικής σχετικότητας σε υδροδυναμικό ρευστό επηρεασμένο από μαγνητικά πεδία. Όλα αυτό ονομάζεται GRMHD εκ του General Relativity MagnetoHydroDynamics. Στην Εικόνα 3 φαίνεται στο κέντρο το αποτέλεσμα μιας τέτοιας προσομοίωσης και δεξιά πως θα παρατηρούνταν από το ΕΗΤ. Όχι κι άσχημα!

Από φυσικής σκοπιάς, μπορέσαμε να περιορίσουμε δυο πολύ βασικές παραμέτρους της Μαύρης Τρύπας.

Η πρώτη είναι η μάζα της. Τη μάζα όλων των αστροφυσικών σωμάτων τη συγκρίνουμε με τη μάζα του Ήλιου. Η μάζα της Μαύρης Τρύπας του Μ87 υπολογίζεται ότι είναι περίπου 6.5 δις ηλιακές μάζες!

Ο τρόπος με τον οποίον υπολογίστηκε η μάζα είναι από το μέγεθος του δακτυλίου. Επειδή γνωρίζουμε την απόσταση του Μ87 μπορούμε να υπολογίσουμε την ακτίνα του δακτυλίου της εικόνας. Η ακτίνα αυτή μπορεί να μας δώσει με καλή ακρίβεια τη μάζα της μαύρης τρύπας.

Μια επιπλέον σημαντική πληροφορία μιας μαύρης τρύπας είναι η ιδιοπεριστροφή της ή αλλιώς το σπιν. Το σπιν μπορεί να κυμανθεί μεταξύ του 0 και του 1 – αυτό σημαίνει ότι στην πρώτη περίπτωση η μαύρη τρύπα δεν περιστρέφεται καθόλου, ενώ στη δεύτερη περιστρέφεται με τη μέγιστη δυνατή γωνιακή ταχύτητα. Η μαύρη τρύπα του Μ87 έχει σπιν με απόλυτη τιμή μεγαλύτερη από 0.5.

Ο τρόπος με τον οποίον υπολογίστηκε το σπιν της μαύρης τρύπας είναι … περίπλοκος γι’ αυτό θα τον αναλύσουμε σε επόμενο άρθρο!