Uczeni znaleźli nowy dowód mówiący, że światło wydostające się z okolic czarnej dziury traci energię na pokonywanie jej grawitacyjnego oddziaływania. Zjawisko takie przewiduje ogólna teoria względności Einsteina.

Czarne dziury to obiekty o tak wielkiej grawitacji, że nic, nawet światło, nie jest w stanie uciec spoza ich obszaru nazywanego horyzontem zdarzeń. Czyni to oczywiście czarną dziurę niewidoczną. Jednak ujawnia ona swoją obecność dzięki silnemu oddziaływaniu grawitacyjnemu na materię znajdująca się nieco ponad horyzontem zdarzeń.

Astronomowie zainteresowani są obserwacją obszarów znajdujących się w pobliżu czarnych dziur ponieważ wierzą, że ogromna grawitacja tych obiektów zakrzywia czasoprzestrzeń zgodnie z przewidywaniami teorii Einsteina.

Wykonane przez satelity rentgenowskie Chandra i XMM-Newton obserwacje zakrzywionej przestrzeni pozwalają również rzucić okiem do środka dysku akrecyjnego, potężnego wiru otaczającego czarna dziurę. Uczeni dostrzegli jasne, gorące punkty znajdujące się wewnątrz dysków. To bardzo ważny krok w kierunku sporządzenia map takich obszarów.

Dr T. Jane Turner z NASA’s opublikował w “Astrophysical Journal letter” artykuł, w którym omawia to odkrycie.

Ten nowy dowód słuszności ogólnej teorii względności udało się uzyskać dzięki obserwacjom charakterystyk widmowych światła emitowanego zwykle wokół czarnej dziury, nazywanego “szeroką linią żelaza K”. Dzięki doskonałej zdolności rozdzielczej Chandry i możliwościom XMM-Newton, Turner i jego zespół ustalili, że ta cecha widmowa jest wynikiem zabierania energii światłu przez potężną grawitację, zgodnie z przewidywaniami Einsteina.

Obserwacje wykluczają inne, konkurencyjne teorie starające się wyjaśnić szeroką linię żelaza” – powiedział Turner. – “Stwierdziliśmy, że przewidywania Einsteina są prawidłowe.

Obserwowano galaktykę oznaczoną NGC 3516. Zawiera ona prawdopodobnie w swoim jądrze supermasywną czarną dziurę o masie wiele milionów razy większej od masy Słońca. Gaz w centralnych rejonach galaktyki wysyła promieniowanie X będąc rozgrzewany do temperatury milionów stopni od wpływem przyciągania czarnej dziury.

Charakterystyki widmowe to szczegóły w widmie przypominającym wyszczerbioną linię z pikami (liniami emisyjnymi). Widmo przedstawia zależność ilości emitowanej energii od długości fali. W laboratorium, podczas bombardowania żelaza w formie gazowej promieniowaniem X wysyła ono widmo z pikami w ustalonych długościach fali.

W Kosmosie pik ulega rozmyciu w zależności od warunków fizycznych panujących w gazie, który emituje światło. Gorący gaz orbitujący wokół centralnej masy ma widmo o profilu zawierającym zamiast jednego – dwa “rogi”. Jest to wynikiem efektu Dopplera. Gaz, który porusza się w naszym kierunku zwiększa nieco energie emitowanego światła, gaz oddalający się – zmniejsza. Dlatego pojawiają się dwa piki.

Turner i jego grupa obserwowała bardzo złożony profil linii żelaza K w galaktyce NGC 3516. Linia miała postać wąskich pików, powstałych prawdopodobnie na skutek efektu Dopplera zachodzącego w gorących punktach znajdujących się w odległościach 35 i 175 promieni horyzontu czarnej dziury. Te wąskie szczegóły nałożone są na szeroką linię pochodzącą od światła wysyłanego przez cały dysk akrecyjny.

Według Turnera, połączenie wąskich i szerokich szczegółów przemawia za poprawnością teorii Einsteina. Niektórzy uczeni sugerowali, że szeroka linia żelaza K jest spowodowana efektem Comptona, procesem w którym fotony zderzają się z elektronami i tracą część energii. Jeśli zachodziłby ten efekt, również światło wyemitowane dalej od czarnej dziury (35 i 175 promieni) miałoby postać szerokiej linii. Istnienie wąskich szczegółów w widmie zaprzecza teorii comptonowskiej i wspiera ogólna teorię względności.

Zdjęcie przedstawia znajdującą się na północnym niebie galaktykę Seyferta NGC 3516. Jej jasne jądro jest charakterystyczne dla Aktywnych Jąder galaktyk (Active Galactic Nucleus, AGN). Ich jasność jest prawdopodobnie powodowana przez znajdującą się w centrum galaktyki czarną dziurę.

Obserwacja światła dochodzącego z 35 i 175 promieni czarnej dziury może pozwolić po raz pierwszy przyjrzeć się z bliska dyskowi akrecyjnemu. “Tego typu obserwacje dostarczają informacji o strukturze przepływu akrecyjnego i pól magnetycznych, pozwalają również badać zakrzywiona czasoprzestrzeń otaczającą supermasywną czarną dziurę” – powiedział dr Ian George, członek zespołu obserwacyjnego.

Wyobraźmy sobie, że patrzymy na odległą piaszczystą wydmę” – powiedział dr Tahir Yaqoob z Uniwersytetu Johna Hopkinsa. – “Znane obiekty, które widzimy na wydmie, jak palmy, pozwalają nam na oszacowanie wysokości wydmy oraz jej odległości. Zobaczyliśmy gorące punkty (drzewa) w przepływie gazu (wydma) wokół czarnej dziury. Korzystając z tych punktów będziemy w stanie odtworzyć obraz zakrzywionej czasoprzestrzeni otaczającej czarną dziurę“.

Światło produkowane przez gorące punkty może być wynikiem rekoneksji linii pola magnetycznego wywołującej błyski w dysku akrecyjnym. 35 i 175 promieni horyzontu zdarzeń może być typową lokalizacją gorących punktów wokół innych czarnych dziur, zarówno masywnych jak i małych.

Nowe dane pomogą również zmierzyć szybkość rotacji czarnej dziury, jedną z głównych wielkości którą starają się wyznaczyć astronomowie. Jasności gorących punktów są odbiciem ich odległości od czarnej dziury oraz tempa jej obrotu.

Wystrzelony w 1999 roku XMM-Newton jest zarządzany przez Europejską Agencje Kosmiczną (ESA). Wystrzelona w tym samym roku Chandra należy do NASA.

Autor

Michał Matraszek