Știm că în centrul Căii Lactee se află o gaură neagră supermasivă. Mai știm că masa acesteia echivalează cu câteva milioane de mase solare. Știm și că are un diametru de circa 40 de milioane de kilometri. S-ar putea crede că avem suficiente informații despre acest obiect. Din păcate nu este așa. Încă nu avem la dispoziție un instrument care să ne permită să observăm detaliile fenomenelor care se produc în imediata apropiere a găurii negre supermasive din centrul galaxiei noastre. Din fericire, nu peste multă vreme, un instrument uriaș, cu dimensiuni comparabile cu cele ale Terrei, va permite astrofizicienilor să observe ceea ce se petrece acolo, în, deocamdată, misteriosul centru al Căii Lactee.

Înainte de orice, se cuvine să discutăm un pic despre găurile negre. Cred că se cuvine să ne readucem aminte câteva noțiuni.

Ce este o gaură neagră?

Într-o variantă simplificată, am putea spune că o gaură neagră este un obiect care exercită o forță gravitațională atât de puternică, încât nici măcar un corp care se deplasează cu viteza luminii nu poate evada de sub acțiunea gravitației sale. Ideea unui asemenea obiect nu este nouă, nu aparține timpurilor moderne. În 1783 geologul britanic John Miller și, mai apoi, în 1796, matematicianul Pierre Simon Laplace au speculat asupra existenței unor asemenea obiecte exotice. În acea vreme nici teoria, nici observația, nu lăsau să se întevadă că ”stelele întunecate”, care au o forță gravitațională atât de puternică, încât nici măcar lumina nu poate scăpa de sub atracția lor, ar putea fi altceva decât niște simple exerciții ale minții. (V-aș sugera și dv. un asemenea exercițiu: ce diametru ar trebui să aibă o gaură neagră cu masa echivalentă cu cea a Terrei? Răspuns: circa 8,8 mm.)

Abia în 1915, o dată cu publicarea de către Einstein a Teoriei generalizate a relativității, găurile negre au trecut pragul speculației, devenind un domeniu de studiu pentru astrofizicieni. Așa cum am mai scris și în alte ocazii, Teoria generalizată a relativității ne explică cum se curbează spațiu-timpul în prezența concentrărilor de masă și/sau energie. Foarte repede, în numai câteva luni, fizicianul german  Karl Schwarzschild, găsește soluții pentru ecuațiile lui Einstein, pentru cazul obiectelor punctiforme și a celor cu formă sferică. Tot Schwarzschild este cel care introduce o mărime, care acum se numește raza Schwarzschild. În cazul unei sfere de masă dată, raza Schwarzschild, reprezintă o valoare minimă, dincolo de care anumiți termeni din ecuațiile lui Einstein capătă valoare infinită. Avem de-a face cu o singularitate.

Sună complicat? Așa și este. Pentru, noi, oamenii de rând, o asemenea formulare poate să pară, chiar este, complicată. Nu știu dacă am găsit o formulare mai simplă. Dar prefer să vă spun că pentru un corp de o anumită masă, această rază a lui Schwarzschild reprezintă tocmai valoarea rezultată din calcule, dacă aplicăm teoria lui Newton, atunci când impunem drept condiție ca nici măcar dacă un obiect care s-ar deplasa cu viteza luminii nu ar putea scăpa de sub forța sa gravitațională. În cazul Pâmântului raza Schwarzschild este de circa 8,9 mm, iar în cazul Soarelui aceasta este de circa 2,95 km.

_85199721_c0177669-black_hole,_artwork-spl

Acum se pune întrebarea: ar putea exista asemenea obiecte, care să posede o forță gravitațională atât de puternică încât nici măcar lumina să nu poată evada de pe suprafața lor?

O vreme s-a crezut că asemenea obiecte exotice reprezintă doar rezultatul unui joc cu ecuațiile. Dar, în mai puțin de două decenii au început să apară lucrări științifice care indicau posibilitatea existenței reale a găurilor negre. În 1931, astrofizicianul american, de origine indiană, Subrahmanyan Chandrasekhar constată prin calcul că o pitică albă cu o masă mai mare de 1,44 mase solare nu este capabilă să își susțină propria greutate și că se va contracta la nesfârșit. Lucrării lui Chandrasekhar i s-au aduc numeroase obiecții. În 1939 fizicienii americani Robert Oppenheimer și George Volkoff demonstrează, tot teoretic, că singularitățile (găurile negre) pot avea o existență fizică reală. În rezumatul lucrării publicate de cei doi se arăta că ”după încetarea reacțiilor termonucleare, dacă o stea este suficient de masivă, atunci ea se va contracta la nesfârșit, din ce în ce mai lent, neajungând niciodată la echilibru”. Este un moment important. Nu mai avem de-a face cu niște simple speculații teoretice. Ideea unor obiecte atât de stranii încât ecuațiile fizicii să fie puse în mare dificultate începea să își găsească drumul către lumea reală.

Au urmat apoi alte dezvoltări teoretice la care și-au adus contribuția numeroși savanți dintre care aș aminti aici doar pe Roy Kerr, Martin Rees, Roger Penrose și Stephen Hawing. Nu insist asupra lor, este o altă poveste, pe care am să o scriu cu o altă ocazie.

După multe dezvoltări teoretice, după dezvoltarea unor modele matematice care descriau ce se întâmplă cu materia în apropierea unei găuri negre, abia în 1971 a fost identificată o candidată de gaură neagră în sistemul binar Cygnus X1. Acesta fusese descoperit încă din 1964, cu ajutorul unor rachete suborbitale de tip Aerobee, lansate de către americani. Acestea aveau instalate la bordul instrumente suficient de precise pentru a realiza hărți ale surselor de radiații X din spațiul cosmic. Cu ajutorul lor a fost identificată și sursa Cygnus X1. Trebuie să vă spun că observațiile surselor de radiații X din spațiul cosmic nu se pot efectua de pe Terra, din cauza ecranării produse de atmosfera terestră.

Cygnus_X-1

O reprezentare artistică a sistemului binar Cygnus X1

În 1970 americanii au lansat satelitul Uhuru, primul telescop spațial în domeniul radiațiilor X. Acesta a colectat foarte multe informații, printre care și unele esențiale pentru descifrarea originii radiațiilor X emise de către Cygnus X1. În 1971 Louise Webster și Paul Murdin de la Observatorul Regal din Greenwich și, independent de aceștia, Charles Thomas Bolton de la Universitatea din Toronto, au anunțat că Cygnus X1 este un sistem binar, în care unul dintre companioni este foarte probabil o gaură neagră cu masa de circa trei mase solare. Acesta a fost primul indiciu important care confirma existența găurilor negre.

Orizontul evenimentelor

Trebuie să fiu foarte scurt. Ca de obicei, m-am luat cu scrisul și nu mi-am dat seama că articolul acesta nu poate depăși o anumită lungime.

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. Este un loc extrem de important. Aici se produce și așanumita radiație Hawking. Într-o descriere foarte simplificată aceasta este rezultatul ”agitației” la nivelul vidului cuantic. Așa cum am mai spus și cu alte ocazii, aici, din ”nimic” apar perechi de particule și antiparticule virtuale. Spunem că sunt virtuale, deoarece ele nu supraviețuiesc decât pentru o perioadă de timp infinitezimală, anihilându-se practic instantaneu. Atunci când perechea de particule virtuale se naște pe suprafața orizontului evenimentelor, există posibilitatea ca una dintre componentele perechii să ”cadă” în gaura neagră, iar cealaltă, neavând cu cine să se anihilieze, devine din particulă ”virtuală”, una ”reală”.

Acesta nu este singurul fenomen care se produce în vecinătatea unei găuri negre. Materia care este antrenată în cădere către gaura neagră suferă un proces de fărâmițare până la nivelul de particule elementare, care cad spre gaura neagră într-o mișcare spiralată. În asemenea situații particulele elementare încărcate electric emit așanumita ”radiație sincrotron”, care poate fi observată în domeniul radiațiilor X.

Tot în apropierea unei găurii negre asistăm și la alte fenomene interesante asupra cărora nu voi insista acum, dar, rezumând, pot afirma că o gaură neagră este un extraordinar laborator pentru astrofizică dar, mai ales, pentru testarea teoriei relativității în condiții extreme. Nu uitați, dincolo de orizontul evenimentelor fizica pe care o cunoaștem își încetează valabilitatea.

Sagittarius A*

Acesta este indicativul celei mai mari găuri negre din galaxia noastră. Se află în centrul Căii Lactee și are o masă echivalentă cu cea a câtorva milioane de mase solare. Știm că se află acolo mai ales după ce s-a studiat mișcarea stelelor din zona centrală a galaxiei noastre. Traiectoriile pe care le descriu acestea indică foarte clar existența unei găuri negre supermasive. Ca o paranteză, pot să vă spun că în centrul majorității galaxiilor există găuri negre supermasive. Unele dintre ele sunt extrem de active, ”înghițind” catități uriașe din materia aflată în jurul lor. Din acest punct de vedere, Sagittarius A*, este o gaură neagră supermasivă relativ ”liniștită”. În prezent această zonă a galaxiei noastre este studiată mai ales cu ajutorul radiotelescoapelor și al telescoapelor spațiale din domeniul radiațiilor X. Din nefericire, rezoluția instrumentelor de care dispunem în prezent nu permite observarea la nivel de detaliu a fenomenelor care se produc în vecinătatea găurii negre supermasive din centrul galaxiei noastre.

sgr_lg

Zona din vecinătatea  Sagittarius A*, fotografiată în domeniul radiațiilor X de către telescopul spațial Chandra.

Telescopul Orizonutului Evenimentelor

Aflată la o distanță de circa 26.000 ani lumină distanță de noi, Sagittarius A* are un diametru unghiular de numai 10 microsecunde de arc. Dacă am vedea-o, ar avea aceași dimensiune unghiulară cu cea a urmei bocancului lui Armstrong pe Lună. Să vă fac o precizare, atunci când vorbesc de dimensiunea găurii negre supermasive Sagittarius A* mă refer de fapt la orizonul evenimentelor, dincolo de el, cel puțin deocamdată, nu putem vedea nimic.

Așa cum vă spuneam, în apropierea orizontului evenimentelor se petrec fenomene interesante, care prezintă un interes deosebit pentru astrofizicieni și fizicieni. Pentru a le studia avem nevoie de instrumente cu o rezoluție extraordinară, nemaiatinsă până în prezent.

Ce înțelegem, în cazul nostru, prin ”rezoluție”? Este capacitatea instrumentelor noastre de a identifica două obiecte, chiar și atunci când ele sunt extrem de apropiate unul de altul. Un instrument cu o rezoluție slabă le va vedea ca fiind un singur obiect, în timp ce unul cu rezoluție bună le va putea observa ca fiind două obiecte distincte. Mai trebuie să vă spun că rezoluția unui instrument astronomic (telescop sau radiotelescop) cu atât mai bună cu cât diametrul oglinzii (a antenei, în cazul radiotelescoapelor) este mai mare. De asemenea, rezoluția scade o dată cu creșterea lungimii de undă a radiației electromagnetice emisă de sursa pe care dorim să o observăm.

Acum mai citiți încă o dată paragraful de mai sus. De această dată vă rog să aveți în minte ideea construirii unui instrument care să aibă o rezoluție mai mică de 10 microsecunde de arc, astfel încât să putem investiga fenomenele care se produc în apropierea orizontului evenimentelor găurii negre supermasive din centrul galaxiei noastre. Sper că veți ajunge la concluzia corectă: diametrul instrumentului nostru ar trebui să fie cât mai mare, iar lungimea de undă pe care să facem observațiile să fie cât mai mică.

Să vă dau eu niște exemple. Dacă am dori să studiem Sagittarius A* în zona vizibilă a spectrului electromagnetic, atunci am avea nevoie de o oglindă cu diametrul de doi kilometri! Chiar dacă va veni și ziua în care acest telescop SF va fi construit, nu ne va fi de mare folos. Praful și gazul interplanetare ne vor bruia lumina care ar veni din vecinătatea orizontului evenimentelor a găurii negre supermasive din centrul Căii Lactee. Observațiile trebuie să le facem în domeniul undelor radio, care sunt mai puțin afectate de gazul și praful prezent între noi și centrul galaxiei. Evident, observațiile trebuie să le facem pe lungimi de undă cât mai mici, de preferat în zona milimetrică și submilimetrică a spectrului electromagnetic. În acest caz, diametrul antenei ar trebui să fie… de circa… 5.000 km! V-ați speriat? Credeți că un asemenea radiotelescop este imposibil și că nu vom avea speranță să observăm ceea ce se întâmplă în imediata apropiere a orizontului evenimentelor găurii negre supermasive din centrul galaxiei noastre?

Bănuiesc că, având în vedere titlul acestui articol, deși aveți mari îndoieli că s-ar putea construi un asemenea radiotelescop, vă veți gândi că oamenii de știință au deja o soluție. Aveți dreptate. Există o soluție și aceasta poartă numele de Telescopul Orizontului Evenimentelor (Event Horizon Telescope).

Nu va fi vorba despre un singur telescop (de fapt, ar trebui să scriu: ”radiotelescop”, dar autorii proiectului folosesc termenul de telescop, pe care îl voi utiliza și eu). Se va folosi o tehnică sofisticată, care poartă numele de interferometrie cu bază foarte largă (Very Long Baseline Interferometry, VLBI).

Dacă ai la dispoziție telescoape distribuite pe suprafața Terrei, poți combina informațiile obținute de acestea pentru a obține un telescop virtual echivalent, cu o oglindă (virtuală, la rândul ei) care are un diametru egal cu cel al Terrei. Într-un telescop obișnuit lumina colectată de către oglinda principală este focalizată către oglinda secundară. În cazul VLBI, rolul oglinzii secundare este preluat de către un supercalculator. Practic, fiecare dintre telescoapele din rețea va înregistra propriile observații care mai apoi sunt trimise către un ”corelator” care va pune cap la cap toate datele, pentru a obține imaginea finală.

Lucrurile nu sunt chiar simple. Avem nevoie de un supercalculator și o referință de timp extrem de precisă (trebuie combinate toate datele obținute la un moment de timp foarte bine determinat) pentru care vor fi folosite ceasuri atomice care vor asigura o pecizie de o trilionime de secundă.

Deocamdată rețeaua pentru Telescopul Orizontului Evenimentelor se află în curs de configurare, dar performanțele obținute deja sunt extrem de promițătoare. Combinând mai multe radiotelescoape, care funcționează în zona lungimilor de undă de 1,3 mm, s-a reușit obținerea unei rezoluții de 28 microsecunde de arc.

compact-configuration-of-the-alma-array

Rețeaua de radiotelescoape ALMA

Nu peste multă vreme din rețea vor face parte și cele 66 de radiotelescoape ale ALMA (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array) construit în deșertul Atacama, Chile de către Uniunea Europeană, SUA, Canada și Chile. Ceva mai târziu în rețeaua Telescopului Orizontului Evenimentelor va intra și un instrument amplasat la Polul Sud (South Pole Telescope, care are o antenă cu diametrul de 10 m). Astfel se speră că se va putea obține o rezoluție suficientă pentru a putea analiza fenomenele care se produc în imediata apropiererea a orizontului evenimentelor găurii negre supermasive din centrul Căii Lactee.

Viitorul

Se anunță un viitor extrem de interesant pentru fizicieni și astrofizicieni. Atunci când Telescopul Orizontului Evenimentelor va fi finalizat (undeva pe la începtul anilor 2020) ei vor dispune de o unealtă de cercetare fără precedent. Se vor putea testa ecuațiile Teoriei relativității în condiții extreme. Vom putea vedea lucruri nemaivăzute până acum. Și, cine știe, poate că acest instrument ne va oferi acele date de care avem nevoie pentru a construi ”tuneluri prin Univers” (despre care vă povesteam în numărul din iunie 2012 al revistei noastre), care ne vor ajuta să călătorim cândva printre stele și galaxii.

Upgrade