Jak o właściwie jest z tym zdjęciem M87*

Zaraz po opublikowaniu słynnego zdjęcia czarnej dziury znanej jako M87* pojawiło się w Internecie mnóstwo memów. Większość odnosiła się do jakości zdjęcia (jest raczej kiepska), niektóre do dwuznaczności samego pojęcia „czarna dziura” – że niby zdjęć czarnych dziur jest w Sieci mnóstwo, wystarczy dobrze poszukać.

Pomijając jednak niewątpliwie radosną reakcję gówniarskiej części Internetu spróbujmy przyjrzeć się zagadnieniu bardziej serio („seriej”?). W czym właściwie tkwi trudność? Jest sobie jakiś obiekt w Kosmosie, mamy całkiem solidne szkiełka, wystarczy wycelować szkiełko, pstryknąć fotkę i gotowe, prawda?

Prawda.

Z tym, że gówno prawda.

Po pierwsze czarna dziura jest czarna, na tle czarnego Kosmosu (piszę z wielkiej litery, bo chodzi o nasz Kosmos a nie jakiś tam przypadkowy kosmos).

Po drugie czarna dziura jest raczej maleńka, a przestrzeni wokół niej całkiem sporo, a w dodatku między nami a M87* znajduje się mnóstwo innego śmiecia, które zakłóca obserwację.

 Jeżeli ktoś się zastanawia dlaczego po nazwie M87 umieszczam gwiazdkę to spieszę wyjaśnić, że samo M87 to jest galaktyka (najjaśniejsza galaktyka w gwiazdozbiorze Panny, pi x oko 53 miliony lat świetlnych od nas) natomiast gwiazdką zwyczajowo oznacza się czarną dziurę, która siedzi w środku prawie każdej galaktyki. 

Nota bene wiedzieliście, że prawie każda galaktyka ma w środku czarną dziurę? Ja też nie, ale okazuje się, że tak właśnie jest. Czarne dziury są podstawowym grawitacyjnym budulcem większości Galaktyk. Zachodzi tu zależność proporcjonalna: czym większa galaktyka, tym cięższą ma w środku czarną dziurę. Na przykład „nasza” czarna dziura, najjaśniejszy obiekt w gwiazdozbiorze Strzelca, która trzyma Drogę Mleczną w kupie, ma masę około 4.1 miliona Słońc. Natomiast M87* waży jakieś 6.5 miliarda Słońc, czyli dobrze ponad tysiąc razy więcej od Saggitariusa A*.

Zanim przejdziemy do szczegółów samego pstrykania słitaśnej foci czarnej dziurze zastanówmy się najpierw czemu wybrano akurat M87* a nie, dajmy na to, naszego Strzelca A*?

Okazuje się, że Strzelec A*, czarna dziura odległa od nas zaledwie o jakieś 26000 lat świetlnych (czyli rzut beretem w porównaniu do międzygalaktycznych dystansów), zasłania nam sama Droga Mleczna – na Strzelca patrzymy wzdłuż płaszczyzny naszej Galaktyki, czyli poprzez niezliczone inne śmieci. To sprawia, że chociaż całkiem blisko, Saggitarius A* jest dość niewdzięcznym obiektem do zdjęć. Natomiast M87 widzimy „w poprzek” Drogi Mlecznej, dzięki czemu jest ona bardziej wyeksponowana.

Trudność polega na tym, że chociaż 53 miliony lat świetlnych to w galaktycznych dystansach wcale nie jest tak znów daleko, to jednak w skali naszej maleńkiej planetki jest to odległość niewyobrażalnie wielka. Światło, które stamtąd do nas dociera zostało wyemitowane, kiedy na Ziemi świeżo wyginęły dinożarły i Wielkie Drzewo Życia Zwierzęcego dopiero zaczęło odbijać od podłoża.

A dlaczego właściwie „M87” a nie na przykład „BH87” (od „Black Hole”) czy na ten przykład KCO87 („K*rewsko Ciężki Obiekt numer 87”)? Skąd to „M”?

„M” pochodzi oczywiście od nazwiska Charlesa Messiera, francuskiego astronoma żyjącego w XVIII wieku, który zajmował się głównie poszukiwaniem komet. W ramach swoich obserwacji natrafiał on na różne „smarki” w teleskopie, które – nie będąc kometami – mało go interesowały, ale które musiał skatalogować, żeby potem pamiętać, żeby ich nie obserwować. Innymi słowy zapisał się on w annałach astronomii dzięki sporządzeniu całkiem obszernej listy obiektów, których nie obserwował. M87 to nic innego jak osiemdziesiąty siódmy obiekt na tej liście.

To, co widzimy na zdjęciu, to oczywiście nie jest czarna dziura. Czarnej dziury nie da się zobaczyć (w każdym razie nie więcej niż raz i bez możliwości podzielenia się obserwacją ze światem zewnętrznym). Ten żółty obiekt widoczny na zdjęciu to jest chmura gazów opadających w kierunku czarnej dziury, które pod wpływem wzajemnego tarcia i wielkiego ciśnienia wydzielają ogromne ilości ciepła, które następnie emitowane jest pod postacią gigantycznego, ognistego sztormu obejmującego swym zasięgiem przestrzeń o wiele większą od całego naszego Układu Słonecznego.

Sama czarna dziura (rozumiana jako sfera Schwarzschilda otaczająca osobliwość) to na zdjęciu okrąg o promieniu około jednej trzeciej tego czarnego kółka, które widzimy. Bierze się to stąd, że w pobliżu czarnych dziur prawa fizyki Newtona zaczynają nieco wariować (ze względu na naprawdę ogromne siły, jakie tam działają) i okazuje się, że najniższa stabilna orbita znajduje się właśnie w okolicach trzykrotności promienia sfery Schwarzschilda. Jeżeli jakiś obiekt zejdzie niżej, zamiast okręgu (elipsy) zacznie spadać na czarną dziurę po ciasnej i bardzo szybkiej spirali.

Jeżeli przyjrzymy się fotce zobaczymy też, że jasność tego żółtego czegoś otaczającego M87* jest nierównomierna: w dolnej części jest zdecydowanie jaśniej, niż w górnej. Czemu tak?

Okazuje się, że jest to efekt świecenia relatywistycznego, zjawiska polegającego na tym, że obiekty poruszające się w kierunku obserwatora emitują pozornie więcej światła, niż obiekty odeń się oddalające, a skoro gazy wirują wokół M87*, to siłą rzeczy część z nich porusza się w naszym kierunku, a część – oddala. Stąd ta różnica w jasności.

Samo zdjęcie nie jest specjalnie wielkim zaskoczeniem. Okazuje się, że na długo przed „pstryknięciem” tej słitfoci jajogłowi zrobili symulację jak powinno wyglądać otoczenie takiej właśnie czarnej dziury i wyszło im coś takiego:

Jak widać podobieństwo jest całkiem spore. Oznacza to ni mniej ni więcej, że einsteinowska ogólna teoria względności ciągle trzyma się mocno. Jak wiadomo, jeżeli mamy jakąś teorię, powinniśmy atakować ją zajadle z różnych stron, żeby sprawić jak solidnie odpowiada ona rzeczywistości – w tym przypadku, okazuje się, całkiem solidnie. A więc nie ma rewolucji, ale i tak jest ogromne osiągnięcie.

No właśnie, przechodzimy teraz do sedna: w czym trudność?

53 miliony lat świetlnych to jakieś 38 miliardów kilometrów. Oznacza to, że M87* widzimy pod kątem około 42 mikrosekund kątowych.

Co to jest mikrosekunda kątowa?

Bierzemy wielki okrąg i ustawiamy się w jego środku. Następnie dzielimy go na 360 równych kawałków – każdy z nich to jeden stopień. Teraz bierzemy taki jeden stopień i dzielimy go na 3600 równych kawałków – każdy z nich to jedna sekunda kątowa.

Bierzemy teraz taką jedną sekundę kątową i dzielimy ją na milion jednakowych części.

No właśnie.

Żeby to sobie w pełni uświadomić, wyobraźmy sobie włos ludzki widziany z odległości pięciuset kilometrów.

Nie damy rady sobie tego wyobrazić, ponieważ jako zwierzęta ziemskie jesteśmy przyzwyczajeni do oglądania rzeczy, które znajdują się (uwaga, niespodzianka) w zasięgu naszego wzroku, a więc przed linią horyzontu, która przebiega dużo bliżej niż rzeczone 500 kilometrów.

To może inaczej: M87* widziana z Ziemi jest mniej więcej takiej wielkości jak pojedynczy atom trzymany w lewej ręce widziany z prawej ręki, przy założeniu że rozłożymy ręce maksymalnie na boki.

A to oznacza, że potrzebujemy fal o jak najmniejszej długości oraz maksymalnie dużego zwierciadła teleskopu. Jeżeli weźmiemy „zwyczajny” teleskop, zjawisko dyfrakcji sprawi, że obiekt wielkości M87* widziany z odległości 53 mln lat świetlnych będzie po prostu rozmazaną, żółtą smugą, która może oznaczać, że coś tam jest (kto wie, może nawet czarna dziura?), ale nic więcej. Żeby dostać lepsze zdjęcie potrzeba teleskopu o średnicy kilku tysięcy kilometrów, a to już może być nieco kłopotliwe do wykonania.

Kilka tysięcy kilometrów średnicy… Strasznie dużo. Czy jest w ogóle na Ziemi coś tak wielkiego?

Jest! Sama Ziemia przecież ma jakieś 12 tysięcy kilometrów średnicy z hakiem, jeżeli więc postawić jeden kawałek zwierciadła na jednym krańcu Ziemi, drugi na drugim, trzeci na trzecim… I potem jeszcze skupić padające na te trzy kawałki fotony we wspólnym punkcie skupienia… Nie, nie da się.

Trzeba zamiast tego robić zdjęcia z każdego punktu osobno, z maksymalną możliwą rozdzielczością, a także – to najważniejsze – z prędkością kilku bilionów klatek na sekundę.

Yyy… ale że co? Czemu tak dużo?

A temu, że żeby uzyskać poprawny obraz, trzeba uwzględnić nie tylko fotony docierające do „lustra” teleskopu, ale również, a może przede wszystkim, ich interferencję w punkcie ogniska (fotony docierające z obserwowanego obiektu będą się wzajemnie wzmacniać, a z innych źródeł – wygaszać, mówiąc w dużym uproszczeniu). Ponieważ jednak ogniska jako takiego fizycznie nie ma, należy zarejestrować fazę każdej fali oraz – bardzo dokładnie – czas pomiaru. Czasy te muszą być zsynchronizowane, dlatego przy każdym z teleskopów musi znajdować się zegar atomowy spasowany ze wszystkimi pozostałymi. To pozwoli potem na zebranie tych danych do kupy i wyliczenie interferencji, a więc – docelowo – właściwego obrazu.

Fale świetlne (w częstotliwości mikrofalowej, która była tu użyta) docierają do zwierciadła średnio co cztery pikosekundy.

Piko… jak to szło? Mili – mikro – nano – piko – femto – atto… Piko to przedrostek dla jednej bilionowej. Milion milionów zdjęć na sekundę, wykonanych w idealnej synchronizacji ze wszystkimi pozostałymi teleskopami.

Robienie zdjęć zajęło około miesiąca i wygenerowało petabajt danych. Nie tak dużo jak na taką wariacką ilość klatek na sekundę, jednak w dalszym ciągu całkiem sporo.

Wykonanie obliczeń i symulacji interferencji fal z każdego z jedenastu teleskopów zajęło około dwóch lat.

Jeszcze raz: miesiąc zbierania danych, dwa lata obliczeń. Wygląda na to, że współczesny astronom jest bardziej matematykiem / programistą, niż romantycznym obserwatorem rozgwieżdżonego nieboskłonu.

Szefowa ekipy została potem obsmarowana na kilku forach, ponieważ ktoś się dopatrzył, że jej wkład w projekt (mierzony w liniach kodu na GitHub) jest praktycznie żaden, a więc cała sława i chwała spłynęły na nią całkiem niezasłużenie, bo kod pisał ktoś inny.

A ja się pytam, czy ktoś się czepia Gatesa czy Jobsa?

Wystarczy, że się kobitka wykaże, a zaraz będą się jej różni spryciarze próbowali dobrać do repozytoriów. Ot, sprawiedliwość.

Pomijając jednak ten niewielki incydent osiągnięcie jest całkiem zdumiewające. Jak zwykł był mawiać Terry P, zadziwiająco dużo rzeczy, które mogły pójść źle, poszło dobrze.

Jeśli o mnie chodzi, to potrafię rozpoznać Oriona, obie Niedźwiedzice i Kasjopeję („Kasjopeę”?) Tak że tego, ten.

Tekst jest moją bardzo luźną interpretacją tego oto artykułu: [link]

3
Dodaj komentarz

avatar
3 Comment threads
0 Thread replies
3 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
3 Comment authors
JaroJanbagienny Recent comment authors
  Subscribe  
najnowszy najstarszy oceniany
Powiadom o
bagienny
Gość

Mnie zdziwło, ale nie zaskoczyło to „zdjęcie”. Swoją drogą chciałbym zobaczyć speców z tonami dysków twardych, by obejrzeć dokładnie to zdjęcie hyhy

Jan
Gość

Myślę, że to ważne aby interesować się dokładniej takimi rzeczami i mieć czas na poukładanie tego sobie w głowie. Tak jak twój wpis, chociaż to przecież nie naukowa analiza. Żeby nie zostać jak w niektórych portalach, tylko ze zdjęciem i zdaniem tekstu jako „lead”. Potem w komentarzach wypływa totalna ignorancja.

Jaro
Gość
Jaro

interesujące

%d bloggers like this: