Badanie otoczenia czarnych dziur

Nr wniosku: 219750, nr raportu: 18701. Kierownik (z rap.): dr Frederic H Vincent
Badanie otoczenia czarnych dziur
Czarne dziury to niezwykle fascynujące obiekty. Zostały one przewidziane przez ogólną teorię względności, zaproponowaną przez Alberta Einsteina prawie sto lat temu. Nie mają one wiele wspólnego z
rzeczami jakie znamy z otaczającego nas świata. Możemy je zdefiniować następująco: jeśli ciało (cząstka,
prom kosmiczny, światło, człowiek...) przekroczy granice znaną jako horyzont zdarzeń, już nigdy nie uda
mu się uciec i pozostanie więźniem tego egzotycznego obiektu. Właściwie, jego los będzie znacznie gorszy.
Nieubłagana siła grawitacji będzie ciągnąć go do centrum czarnej dziury, miejsca zwanego „osobliwością”,
gdzie siła grawitacji dąży do nieskończoności. Należy sobie uświadomić, ze horyzont zdarzeń jest niematerialny. Nie jest podobny do powierzchni ziemi ani innych planet jakie znamy. To po prostu obszar w
przestrzeni. Na przykład, jeżeli astronauta przekroczy horyzont zdarzeń, nie powinien dostrzec żadnej
spektakularnej zmiany. Gdyby natomiast, astronauta spróbował wrócić poza horyzont, nie udało by mu
się to ze względu na bardzo silne przyciąganie grawitacyjne.
Czarne dziury wzięły swoją nazwę z faktu, że rzeczy które przekroczą horyzont zdarzeń zostają tam na
zawsze, w szczególności dzieje się tak ze światłem. W związku z tym niemożliwe jest zaobserwowanie
całkowicie izolowanej czarnej dziury. Zdarza się jednak, że czarne dziury mogą znaleźć towarzystwo. Na
przykład, często żyją w parach razem z normalnymi gwiazdami. W takiej sytuacji czarna dziura zaczyna powoli wysysać materię z sąsiedniej gwiazdy, a opadająca na czarną dziurę materia zaczyna silnie
promieniować, najsilniej w obszarze promieniowania roentgenowskiego. Układ w którym znajduje się
czarna dziura i gwiazda, nazywany jest roentgenowskim układem podwójnym. W takim układzie czarna
dziura, nie jest zbyt masywna, zazwyczaj jej masa nie przekracza dziesięciu mas słońca. Czarne dziury
tego rodzaju, czasem zaczynają drgać, co jest obserwowane poprzez okresową modulacje światła które
jest emitowane przez materie otaczającą czarną dziurę. Przypomina to sytuację kiedy rzucamy kamień
na wodę i jej powierzchnia zaczyna się marszczyć. Owe oscylacje czarnych dziur o masach gwiazdowych
są jedną z tajemnic tych dziwnych obiektów których do tej pory nie rozumiemy. Czarne dziury możemy
znaleźć również w centrach galaktyk, wliczając to naszą własną galaktykę - Drogę Mleczną. Takie czarne
dziury są ogromne, ich masa przekracza masę miliarda słońc. Czarna dziura obecna w centrum naszej
galatyki to Saggitarius A*. Jak wskazuje jej nazwa zlokalizowana jest w konstelacji Strzelca. Waży ona
4 miliony razy więcej niż nasze Słońce. Taka supermasywna czarna dziura również jest otoczona przez
materię która emituje promieniowanie, bardzo podobnie jak w przypadku ich mniejszych odpowiedników.
Niedawno Saggitarius A* niezwykle zainteresował astronomów, ze względu na szczegółowe obrazy jego
otoczenia, które wkrótce będą mogły być wykonane przez dwa nowe urządzenia, GRAVITY oraz EHT
(Event Horizon Telescope).
Celem tego projektu było odpowiedzenie na dwa pytania pytania dotyczące zjawisk zachodzących w
pobliżu czarnych dziur. Po pierwsze, jak wyglądałby Saggitarius A* gdyby można było zrobić zdjęcie
w jego najbliższym sąsiedztwie ? Drugie pytanie, to czy możemy zrozumieć co jest powodem oscylacji
czarnych dziur w układach podwójnych ? Próba odpowiedzi na pierwsze z tych pytań zostanie tutaj
opisana bardziej szczegółowo. Za pomocą symulacji komputerowych uzyskaliśmy szczegółowe obrazy
otoczenia Saggitariusa A*. Dzięki temu możemy przewidzieć co teleskopy GRAVITY i EHT powinny
zobaczyć kiedy zaczną obserwacje. Na podstawie naszych przewidywań teoretycznych oraz obserwacji
będziemy mogli stwierdzić czy poprawnie rozumiemy co dzieje się w pobliżu supermasywnej czarnej dziury. Ponadto, rozważyliśmy jeszcze dziwniejszy, ciemny obiekt który z daleka wygląda zupełnie jak
czarna dziura, natomiast istotnie inaczej z bliska. Tym obiektem jest gwiazda bozonowa. Jest w pewien
sposób powiązana z Bozonem Higgsa którego odkrycie kilka lat temu zainteresowało cały swiat. Udało
nam się przewidzieć, jak różniły by się zdjęcia zrobione czarnej dziurze oraz gwieździe bozonowej. Według
naszych obliczeń, nawet z fantastyczną czułością którą posiadają zarówno GRAVITY jak i EHT, prawdopodobnie nie uda się nam odróżnić gwiazdy bozonowej od czarnej dziury. To pokazuje, że podanie
jasnego i jednoznacznego dowodu na to, że czarne dziury istnieją w otaczającym nas świecie (oraz, że nie
są na przykład czymś innym, np. gwiazdą bozonową albo innym egzotyczny obiektem) jest niezwykle
trudne. Prawdopodobnie niedawne odkrycie fal grawitacyjnych pozwoli na dalsze badania w tych obiektów.
1