Am așteptat cu mare nerăbdare ziua de 10 aprilie 2019. Cercetătorii de la EHT (Event Horizon Telescope) aveau să ne prezinte primele imagini ale orizontului evenimentelor unei găuri negre supermasive, deschizând astfel un nou capitol important al astrofizicii. A fost o adevărată sărbătoare conferința de presă în care oamenii de știință și-au prezentat rezultatele, iar explicațiile și imaginile prezentate mi-au provocat entuziasmul. Un entuziasm pe care încerc să vi-l împărtășesc și dv.
Despre Event Horizon Telescope (Telescopul pentru Orizontul Evenimentelor) v-am povestit, pe larg, cu ani în urmă, mai exact în numărul din septembrie 2013 al revistei noastre. Acum vreau doar să vă reamintesc doar câteva dintre ideile principale cuprinse în acel articol.
Orizontul evenimentelor este granița spațio-temporală din jurul unei găuri negre care, dacă este depășită, nu mai permite evadarea de sub atracția gravitațională a acesteia, chiar dacă ne-am deplasa cu viteza luminii. Din cauza faptului că o gaură neagră este un obiect extrem de compact nu putem ”vedea” direct, cu instrumentele obișnuite, ce se întâmplă în vecinătatea acestui orizont al evenimentelor. De exemplu, așa cum bănuiesc că știți, în centrul Căii Lactee, la o distanță de circa 26.000 de ani lumină, avem o gaură neagră supermasivă cu masă echivalentă cu ca a trei milioane de mase solare. Pentru aceasta raza orizontului evenimentelor este echivalentă cu distanța dintre Pământ și Soare. A vedea ce se întâmplă în imediata vecinătate a lui avem nevoie de instrumente care să posede o rezoluție extrem de mare. Este ca și cum ar trebui să obținem, de pe Pământ, o imagine a primei urme lăsate de bocancul lui Armstrong pe Lună.
Pentru a obține o asemenea rezoluție avem nevoie de instrumente care să aibă diametrul oglinzii principale foarte mare, echivalent cu diametrul planetei noastre. Evident, un asemenea instrument este imposibil de construit. Totuși, există o soluție pentru această problemă, aparent, insurmontabilă. Putem combina într-un anume fel informațiile colectate de mai multe instrumente răspândite pe suprafața planetei, astfel încât să ”construim” un instrument virtual. În cazul telescopului pentru orizontul evenimentelor sunt folosite în prezent datele colectate de la opt radiotelescoape amplasate în Arizona (SUA), Chile, Hawaii, Mexic, Polul Sud și Spania. Observațiile sunt realizate în zona lungimilor de undă milimetrice ale spectrului electromagnetic.
Sunt convins că înțelegeți amploarea acestui proiect. Adesea mi se spune că asemenea proiecte sunt inutile: înghit prea multe resurse, neoferind nici o soluție practică pentru viața unui pământean obișnuit. Răspunsul meu a devenit invariabil: progresul tehnologic, care a făcut ca viața noastră să devină mai ușoară, este consecința directă a unor descoperiri ale științei care, la vremea respectivă, păreau a fi complet rupte de vreo aplicație practică. Nu știu acum care vor fi aplicațiile practice ale descoperirilor realizate cu ajutorul telescopului pentru orizontul evenimentelor. Dar știu că orice avans în înțelegerea legilor care guvernează Universul va avea, mai devreme sau mai târziu, consecințe directe pentru viața noastră de zi cu zi. Și ar mai fi ceva. Evoluția civilizației umane a fost guvernată de o curiozitate de neoprit. Ne-au fascinat misterele, dar am căutat să ni le explicăm. În zorii civilizației noastre am căutat răspunsuri într-o lume a supranaturalului. Dar adevărata revoluție, pentru noi, s-a produs în momentul în care am înțeles că mai toate aceste răspunsuri se ascund în lumea noastră, a lumii naturale. Ele se ascund în spatele unor uși bine ferecate. Pentru a le deschide avem nevoie de cheia potrivită. Din păcate, pe măsură ce deschidem ușile misterelor, încuietorile devin din ce în ce mai sofisticate. Avem nevoie de instrumente noi, complicate și costisitoare, pentru a răspunde întrebărilor fundamentale pe care ni le punem. Unul dintre acestea este acest minunat telescop pentru orizontul evenimentelor. El trebuie să ne răspundă la întrebarea: teoria generală a relativității funcționează în condițiile extreme din apropierea orizontului evenimentelor unei găuri negre? Este o întrebare fundamentală. Nu uitați, teoria clasică, cea a lui Newton, dă răspunsuri corecte în condițiile blânde ale vitezelor mici și ale obiectelor cosmice cu mase relativ mici.
Colectarea datelor
În luna aprilie 2017, după ani de pregătire riguroasă, a fost declanșată o campanie de observare, pe lungimea de undă de 1,3 mm a spectrului electromagnetic. Țintele observațiilor au fost două găuri supermasive: cea din centrul galaxiei noastre și cea din centrul galaxiei M87, care se află la o distanță de circa 55 milioane de ani lumină. Nu a fost o operațiune din cele simple. Trebuie să știți că a fost necesară o sincronizare a bazei de timp, pentru fiecare radiotelescop și pentru fiecare observație, astfel încât abaterea temporală să nu depășească o trilionime de secundă. În același timp trebuiau determinate distanțele dintre radiotelescoapele din rețea cu o precizie de sub un milimetru. Centrul de comandă al telescopului pentru orizontul evenimentelor se afla la Smithsonian Astrophysical Observatory din Cambridge, SUA. Aici se decidea, în momentul în care condițiile meteo deasupra tuturor radiotelescoapelor din rețea erau favorabile, declanșarea înregistrării datelor observaționale.
Fiecare dintre radiotelescoapele din rețeaua telescopului pentru orizontul evenimentelor a colectat un volum uriaș de date (de ordinul milioanelor de gigabyte) care au fost stocate pe hard disk-uri specializate. O dată finalizată campania de observare hard disk-urile au fost expediate, pe cale aeriană, prin FedEx, către două locații: Observatorul Haystack, Massachusetts, SUA și Institutul pentru Radioastronomie Max Planck, Germania. (Oricât ar putea să vi se pară de ciudat, acest mod de transmitere a datelor a fost mai rapid decât transmiterea lor prin Internet.) Aici datele au început să fie prelucrate cu ajutorul unor supercalculatoare specializate, numite corelatoare.
Din păcate a existat o problemă imposibil de evitat. Inițial datele nu erau complete. Cele obținute de la radiotelescopul de la Polul Sud nu erau disponibile. Acolo sosise iarna și nici un avion nu mai putea ateriza sau decola prelua datele colectate. A fost nevoie să se aștepte până în decembrie 2017 până când datele de pe hard disk-urile de la Polul Sud să ajungă să poată fi procesate. Abia acum putea demara analiza și prelucrarea datelor obținute în campania de observare din aprilie 2017.
Prelucrarea datelor
A fost o muncă extrem de dificilă, ale cărei rezultate au trebuit să aștepte până la începutul anului 2019 pentru a căpăta forma finală, când șiruri de numere de neînțeles aveau să fie transformate în imaginile pe care le așteptam de atâția ani. Existau deja algoritmii de bază pentru prelucrarea datelor obținute cu atâta trudă, dar ei trebuiau să fie rafinați pentru a putea fi folosiți în obținerea primelor imagini ale orizontului evenimentelor unei găuri negre supermasive. În plus, trebuia să se țină seama și de factorii factorii care puteau perturba imaginea finală, cum ar fi turbulența atmosferică și interferențele radio cu sursele terestre.
Pentru aceasta s-au folosit datele brute ale unor obiecte cerești binecunoscute, niște quasari strălucitori, obținute tot în timpul campaniei de observare din aprilie 2017. Plecând de la ele, după luni de zile de muncă intensă, cercetătorii au putut obține algoritmii finali care, mai apoi, aveau sp fie folosiți pentru a obține, din datele brute, imaginile mult așteptate.
Imaginile
Găurile negre, așa cum vă așteptați, ”consumă” materia aflată în vecinătatea lor. O dată intrați sub influența gravitațională a unei găuri negre, particulele din gazul interstelar încep să se deplaseze pe o traiectorie spiralată, asemănătoare unui vârtej, formând ceea ce se numește ”disc de acreție”, care poate atinge temperaturi de ordinul milioanelor de grade. Acestea se pot întinde la distanțe relativ mari față de gaura neagră și, deoarece temperatura lor face ca ele să fie foarte strălucitoare, au putut fi observate deja cu instrumente devenite clasice, cum ar fi telescoapele spațiale Chandra și Hubble. Imaginile obținute până acum sunt foarte spectaculoase și valoroase pentru astrofizicieni. Dar ele nu le sunt suficiente. Este ca și cum ai avea fotografia unei tornade, împreună datele privitoare la presiunea, temperatura etc, din exteriorul ei, dar nu ai avea nici o informație despre ceea ce se petrece cu adevărat în interiorul tornadei.
Voi deschide acum obișnuita mea paranteză. În luna aprilie 2017, o dată cu campania de observații a telescopului pentru orizontul evenimentelor, gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei M87 a devenit țintă și pentru telescoapele convenționale. Unul dintre ele a fost telescopul spațial Chandra, care ”vede” Universul în domeniul radiațiilor X. În imaginile obținute se poate vedea că această gaură supermasivă a produs un jet de materie, alcătuit din izbucniri repetate care s-au succedat la intervale de circa șase milioane de ani. Observații similare au fost făcute și în trecut, inclusiv cu ajutorul telescopului spațial Hubble, dar originea acestui jet (pe care îl întâlnim și în cazul altor găuri negre) nu este încă pe deplin elucidată. Foarte probabil, curbarea puternică a spațiu-timpului din vecinătatea găurii negre produce o răsucire accentuată a liniilor câmpului magnetic din apropierea ei, ceea ce duce la accelerarea particulelor încărcate din discul de acreție. Am închis paranteza.
De-a lungul timpului astrofizicienii au realizat simulări ale fenomenelor ce se produc în imediata vecinătatea găurilor negre. S-au elaborat mai multe scenarii și pentru gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei M87. În total, mai înainte de publicarea imaginilor obținute cu ajutorul telescopului pentru orizontul evenimentelor, au fost realizate mai bine de 60.000 de simulări diferite ale ei. Urma să se vadă care dintre ele corespund cel mai bine cu imaginea reală.
Și a venit ziua acea formidabilă: 10 aprilie 2019, ziua marelui anunț. În cadrul a mai multor conferințe de presă, transmise live pe Inetrnet, au fost prezentate primele imagini ale găurii negre supermasive din centrul galaxiei M87. O gaură neagră care are o masă echivalentă cu cea a 6,5 miliarde de mase solare. ”Avem acum prima imagine a unei găuri negre”, spunea Sheperd S. Doeleman, directorul proiectului telescopului pentru orizontul evenimentelor. ”Este o realizare științifică extraordinară, la care au contribuit mai bine de 200 de cercetători.”
Pentru un prea puțin știutor, imaginea ar putea să pară că este prea înțețoșată și lipsită de vreo semnificație, un soi de gogoașă portocalie. Abia atunci când știi, cât de cât, ce reprezintă ea cu adevărat îi poți înțelege adevărata sa măreție: este pentru prima oară când putem vedea direct orizontul evenimentelor al unei găuri negre. Mai bine zis, vedem ”umbra” lăsată de gaura neagă pe discul de acreție care o înconjoară. ”Atunci când un disc de gaz luminos înconjoară o gaură neagră ne așteptăm să vedem o regiune întunecată, asemănătoare unei umbre, o consecință a teoriei generale a relativității a lui Einstein, dar care nu a putut fi observată niciodată până acum”, explica Heino Falcke, președintele consiliului științific al telescopului pentru orizontul evenimentelor. ”Această umbră, produsă de curbura gravitațională și de capturarea luminii de către gaura neagră, ne spune foarte multe despre natura acestor obiecte fascinante și ne-a permis să determinăm masa găurii negre supermasive din galaxia M87”, a adăugat el.
Și, cel mai important lucru, imaginile obținute reprezintă o foarte bună confirmare a teoriei generale a relativității în condițiile extreme din vecinătatea găurilor negre. Ea se suprapune foarte bine peste simulările realizate anterior.
Pe 10 aprilie 2019 nu au fost prezentate imagini ale găurii negre supermasive din centrul Căii Lactee, deși ea se află ”doar” la 26.000 de ani lumină distanță de noi. Din păcate, fiind mult mai puțin masivă decât cea din centrul galaxiei M87 (are masa echivalentă cu ”numai” 3 milioane de mase solare), ea este mult mai dificil de observat. Dar, cu siguranță, pe măsură ce noi instrumente se vor adăuga la telescopul pentru orizontul evenimentelor, vom avea și această imagine.
Încheiere
Am mai deschis o nouă cameră a răspunsurilor la întrebările fundamentale, cu ajutorul telescopului orizontului evenimentelor. Acum putem merge mai departe. Noi instrumente se vor adăuga telescopului virtual cu care privim către găurile negre, pentru a le studia mai îndeaproape. Sunt sigur de asta: ne vom întâlni cu noi mistere care își vor aștepta dezlegarea. Iar misterele, așa cum spuneam la începutul acestui text, ne provoacă să le dezlegăm, sporind astfel cunoașterea noastră.
Cristian Român
