První obraz horizontu

Snímek černé díry v galaxii M87 obletěl svět druhou dubnovou středu. Obrázku oranžového prstence se v komentářích na sociálních sítích začalo hbitě přezdívat Sauronovo oko. Ale co na něm vidíme, o čem vypovídá? Jaký má význam pro astrofyziku a je to opravdu přelomová událost?

Pozvánky na tiskové konference, konané ve stejný čas na sedmi různých místech světa, avizovaly odhalení přelomového výsledku. V obdobném duchu se nesla i vystoupení vědců a úředníků na samotné události. Jenže kromě vzletných slov o významu snímku a nějakých údajů o vzdálenosti a hmotnosti pozorované černé díry jsme se mnoho detailů o vzniku snímku a tom, co na něm vidíme, vlastně nedozvěděli.

Dalekohled velikosti planety Země

Zastavme se nejprve u samotného přístroje, kterým byl snímek pořízen. Event Horizon Telescope (EHT) nebo též Dalekohled horizontu událostí, jak by mohl znít jeho český název, není jeden dalekohled, ale je to projekt spojující několik existujících radioteleskopů, které byly postaveny na různých místech pro účely jiných pozorování a které se po určitých úpravách dají použít ke koordinovanému pozorování na jedné vlnové délce.

Nyní je do EHT zapojeno devět antén nebo anténních soustav. Při pozorování v roce 2017, z něhož pochází zveřejněný snímek černé díry, jich však bylo k dispozici jen 8 (Atacama Large Millimeter Array a Atacama Pathfinder Experiment v Chile, IRAM 30m Telescope ve Španělsku, James Clerk Maxwell Telescope a Submillimeter Array na Havaji, Large Millimeter Telescope v Mexiku, Submillimeter Telescope v USA, South Pole Telescope v Antarktidě).

Projekt Event Horizon Telescope sám o sobě představuje milník v možnostech astronomie. Chceme-li se podívat na horizont událostí, potřebujeme rozlišení nejméně tisíckrát lepší, než jakým disponují ty největší pozemské optické dalekohledy. Vezmeme-li si za příklad Very Large Telescope (VLT) v Chile známý ikonickými obrázky otevřené kopule, z níž míří k obloze čtyři oranžové laserové paprsky systému adaptivní optiky, máme k dispozici rozlišení na úrovni několika tisícin úhlové vteřiny. To je dost na to, abychom z Brna mohli přečíst nápis SNĚŽKA na turistickém rozcestníku naší nejvyšší hory. Abychom však mohli pozorovat horizont událostí černé díry, potřebujeme dalekohled, který by nápis na ceduli přečetl, kdyby byla umístěna nikoli na Sněžce, ale na Měsíci. Takový dalekohled by ale musel být nejméně tisíckrát větší, v případě větších vlnových délek spíše deseti tisíckrát, což je oříšek konstrukční stejně jako finanční.

Dokonalá interferometrie

Jak se tedy dopracovat k dalekohledu s rozlišením na úrovni několika miliontin úhlové vteřiny? Astronomové si s tím poradili pomocí techniky, která se ve fyzice používá již přes sto let a již dovedli k dokonalosti. Tou technikou je interferometrie a místo jedné gigantické antény využívá několik malých radioteleskopů rozmístěných v různých vzdálenostech od sebe. Výhodou je, že nemusíme budovat dalekohled přes celou planetu; nevýhodou naopak je to, že namísto obrázku pozorovaného objektu dostáváme jakousi změť vln, z níž musíme obraz vykřesat. Dalo by se to připodobnit k situaci, kdy jsme v loďce uprostřed rybníka, do něhož někdo hodí osm různých kamenů. Z místa dopadu každého z kamenů se šíří po hladině vlny, které se posléze přes sebe vzájemně překrývají, různě se zesilují a ruší, a my máme podle toho, jak se naše loďka rozhoupe, poznat, jak velký kámen kam dopadl. Taková úloha pochopitelně nemá jednoznačné řešení a možností dopadu kamenů, které povedou na přesně stejné pohupování loďky, může být vícero. Dokonce v principu nekonečně mnoho.

Obdobná situace je i u rekonstrukce obrazu interferometrického pozorování. Zdá se proto stěží uvěřitelné, že se to týmu EHT povedlo, snadné to rozhodně nebylo. Aby se vyloučilo jakékoli možné ovlivnění výsledků metodou zpracování nebo podíl lidského faktoru, pracovali na rekonstrukci obrazu zcela nezávisle čtyři týmy pomocí dvou zcela odlišných metod. Když pak porovnali své čtyři obrázky, k vzájemnému překvapení zjistili, že sice nejsou úplně stejné, ale na všech čtyřech jsou jasně patrné základní rysy, jak je známe z konečného obrazu.

Oko černé díry

Tím se dostáváme k otázce, co na onom oranžovém obrázku vlastně vidíme? Na první pohled zaujme světlý kruhový útvar, který je ve spodní části více zjasněný a který obklopuje tmavou středovou oblast. Ta tmavá oblast ve středu, to je takzvaný stín černé díry nebo též její silueta. Zde se vskutku díváme přímo na horizont událostí, z nějž nepřichází žádné světlo. Střed snímku ovšem není úplně černý, neboť horizont událostí je obklopen řídkým plynem, který září a část tohoto záření může uniknout a doputovat až k Zemi.

Jasný prstenec okolo stínu je zapříčiněn existencí tzv. fotonové orbity. To je něco, co mají pouze černé díry (případně nějaké extra exotické objekty alternativních teorií, které by se černým dírám podle klasické teorie relativity podobaly), jejichž silná gravitace projevující se silným zakřivením prostoru způsobuje nápadné ohýbání světelných paprsků, tedy zakřivení drah fotonů vyzářených plynem.

Počítačová vizualizace ukazuje horký plyn obíhající okolo černé díry a dráhy fotonů (částic světla), které plyn vyzařuje do různých směrů. Zakřivení časoprostoru v blízkosti černé díry vede k zachycení některých fotonů v okolí horizontu událostí na místě zvaném fotonová orbita. Tím vzniká efekt stínu černé díry, který byl pozorován pomocí EHT – Event Horizon Telescope.

Video Nicolle R. Fuller/NSF

Fotonová orbita je místo, kde je toto zakřivení drah fotonů již tak extrémní, že nalétávající částice světla oběhne několikrát dokola černou díru, než je buď nasměrována na horizont událostí, nebo opět propuštěna a odlétá pryč v nějakém jiném směru, než z jakého přiletěla. Protože fotonová orbita tímto způsobem zachytává světlo přicházející k ní z mnoha směrů, které posléze pouští pryč, jeví se jasnější než okolí. Umocněno je to tím, že z prostoru pod ní přichází jen velmi málo záření, většina ho skončí v černé díře. Fotonová orbita tak tvoří hranici stínu černé díry.

Zjasnění viditelné ve spodní části snímku je způsobeno kolektivním pohybem plynu okolo černé díry. Všechno ve vesmíru má nějaký moment hybnosti, a tudíž má tendenci spíš obíhat okolo těžších těles po kruhových nebo eliptických drahách než se rovnou srážet čelo na čelo. To je i případ plynu, který na černou díru padá. Během svého pohybu směrem k horizontu událostí se točí dokola okolo černé díry a funguje tu Dopplerův jev.

V části snímku, v níž se plyn pohybuje směrem k Zemi, ho vidíme zářit intenzivněji než v části snímku, kde se pohybuje ve směru opačném, tedy od Země. Na základě výpočtů, počítačových simulací pohybu plynu a částečně i na základě dřívějších pozorování předpokládáme, že plyn obíhá okolo osy, do níž je orientován výtrysk a která by měla být totožná se směrem orientace vektoru momentu hybnosti černé díry (čili též jakési osy její vlastní rotace). Pak jsme z obrázku s to vyvodit, že černá díra i plyn se otáčejí po směru hodinových ručiček dle pravidla pravé ruky ­ palec ve směru osy rotace, prsty ukazují směr.

A proč je obrázek oranžový? Jde především o dojem. Odstín barvy v různých místech obrázku vyjadřuje pouze množství zářivého toku, které z daného místa vychází. Barva tak nevyjadřuje nic konkrétního, obrázek by stejně dobře mohl být modrý nebo růžový, nejsprávněji by však měl být prostě černobílý. Jenže uznejte, kdyby autoři použili černobílou paletu, působil by obrázek tak magicky?

Ještě o ní uslyšíme

Stejně jako jedna vlaštovka jaro nedělá, ani jeden snímek černé díry, ještě k tomu dosti neostrý, nezpůsobuje žádnou revoluci v poznání těchto objektů. Už jen proto ne, že je na něm vlastně přesně to, co se dle teorie obecně čekalo. Možnosti Event Horizon Telescope ale nejsou ještě zdaleka vyčerpány. V zásobě je černá díra ve středu naší galaxie, na jejíž obrázek se můžeme těšit vzápětí, zpracovávají se data z pozorovací kampaně roku 2018 a připravují se pozorování na kratších vlnových délkách a s více zapojenými radioteleskopy. Do budoucna se tedy můžeme těšit jednak na mnohem ostřejší snímek černé díry M87*, a zejména na dlouhodobější pozorování pohybu plynu poblíž horizontu událostí. To by nám, jak doufáme, mohlo konečně napovědět něco o způsobu, jakým se formují ony extrémně energetické výtrysky a odkud se jejich energie bere.

Další fakta a souvislosti přineseme v červnovém Vesmíru.