Frank van Hertrooij
Scivolemo 17 Aprilo 2019
Pliaj artikoloj
Per sia apero en sennombraj sciencfikciaj filmoj kaj libroj, nigraj truoj certe pruvis ke ili estas inter la plej interesaj objektoj en la universo. La ideo de nigra truo estas mistera. Temas pri objekto kun tiom granda denseco, ke ĝi rompas la nunan komprenon de fiziko kaj neniu scias kio okazas preter ĝia rando. Ĝi instigas la homan fantazion al elpensi la plej frenezajn historiojn, ĉar se neniu vere komprenas la objekton, ĉio subite eblas.
En la nefikcia universo, nigraj truoj komenciĝis kiel matematika koncepto. Ili sekvis el la matematiko, kiun Einstein, kaj poste ankaŭ aliaj fizikistoj, malkovris. Masoj povas iĝi senfine densaj kaj kuniĝi en unu senfine malgranda punkto. Unue tio sonis tute neebla. Devis esti iu nemalkovrita meĥanismo de la naturo, kiu preventus la formiĝon de tia punkto. Observoj montris la malon tamen. Estas steloj, ekzemple, kiuj rapide moviĝas ĉirkaŭ nevidebla, centra punkto. Ilia ekzakta orbito indikas ke ili iras ĉirkaŭ objekto kun tre granda maso. Nigraj truoj do estis observeblaj, sed nur rekte per observi la stelojn ĉirkaŭ ili. Hodiaŭ oni kredas ke nigraj truoj estas sufiĉe abundaj objektoj kaj ke la plejparto de galaksio havas gigantan nigran truon en la centro.
Kio estas nigra truo?
Nigra truo estas objekto kun tiom forta gravita kampo, ke eĉ lumo ne povas eskapi ĝin. Tio ne signifas ke la maso de nigra truo nepre estu giganta. Ajna maso povas iĝi nigra truo, se oni sufiĉe forte kunpremas ĝin, do la denseco de la objekto pli gravas ol la maso. Ekzistas simpla formulo, kiun oni povas uzi por kalkuli kiom malgranda objekto devas iĝi por esti konsiderata nigra truo. La formulo funkcias por Schwarzschild nigraj truoj, kio signifas ke la nigra truo ne havu elektran ŝarĝon aŭ angulan movokvanton. Veraj nigraj truoj ĝenerale havas angulan movokvanton (ili rotacias), sed la formulo por Schwarzschild nigra truo estas daŭre bona indiko kaj facile komprenebla.
En tiu ĉi formulo, rs estas la radiuso de Schwarzschild en metroj. Ĝi estas la radiuso de la eventa horizonto: surfaco de sfero, ene de kiu lumo ne povas eskapi. Kiam oni parolas pri la grandeco de nigra truo, oni ne parolas pri la objekto mem, ĉar nigra truo estas senfine malgranda, sed pri la grandeco de tiu sfero. m estas la maso de la objekto en kilogramoj. Ju pli granda la maso de la objekto estas, des pli granda la radiuso de Schwarzschild estas. Finfine estas du konstantaj nombroj, kiuj estas la rezulto de la fundamentaj kvalitoj de la universo. Ili estas G, la gravita konstanto, kaj c, la rapido de lumo. Se oni kolektas ĉiujn necesajn nombrojn, oni povas kalkuli la radiuson de Schwarzschild por ajna objekto. La schwarzschildradiuso de la Suno ekzemple, estas iom pli eta ol 3km kaj tiu de la Tero estas ĉirkaŭ 9mm. Teorie oni do povus fari nigran truon el la Suno kaj Tero, sed praktike ili ne havas sufiĉe da maso por la meĥanismoj, kiuj kreas nigrajn truojn.
Tre baza strukturo de nigra truo. La singulareco (singularity) estas la senfine densa punkto.
Formiĝo de nigraj truoj
Nigraj truoj povas kreiĝi per pluraj meĥanismoj kiel la kunfandiĝo de pli etaj nigraj truoj, aŭ kiel produkto de la praeksplodo, sed la plej konata meĥanismo estas parto de la evoluo de steloj. Dum ilia vivo, steloj ŝanĝiĝas surbaze de la ”brulaĵoj”, kiujn ili havas kaj do de ili maso. La grandeco de stelo estas regata de balanco. Unuflanke la gravito de la stelo provas kunpremi ĝin, sed ĝi ankaŭ produktas multe da energio, kiu kaŭzas kontraŭpremon. Tiu energio venas de nukleaj reagoj en la kerno de la stelo. Elementoj kun malalta maso, kiel hidrogeno, estas kunfandigataj, kreante elementojn kun pli alta maso, kiel heliumon. Tiu procezo nomiĝas nuklea fuzio. La elementoj iĝas pli kaj pli pezaj ĝis la stelo produktas feron, post kio la kunfandigo ne plu nete liberigas energion. Je tiu momento, la kerno devas serĉi novan balancon.
Je la fino de sia vivo, la Suno iĝos blanka nano. Tio estas stelo, kiu ne plu povas subteni sian ekvilibron per la varmo de nuklea fuzio, sed la principo de ekskludo preventas ke ĝi kunpremiĝu eĉ pli. Laŭ tiu kvantummeĥanika principo, du elektronoj ne povas okupi la saman kvantuman staton, kio preventas ilin de kunpremiĝi tro multe. En pli grandaj steloj, eĉ tiu premo povas esti venkita, kio kreas neŭtronan stelon. Tio estas stelo en kiu ĉiuj elektronoj kaj protonoj kunfandiĝis, kreante neŭtronojn. Ankaŭ neŭtronoj ne volas kunfandiĝi pro la principo de ekskludo, kio preventas neŭtronajn stelojn de kunpremiĝi eĉ pli. La denseco de neŭtrona stelo estas nekredeble granda, pro tio ke 99% de atomo kutime estas malplena spaco. En neŭtrona stelo, tiu malplena spaco malaperis, kio igas la stelon tiom densa kiel giganta atomkerno. La rezulto estas stelo kun radiuso de kelkaj kilometro kaj maso pli granda ol tiu de la Suno. En la plej grandaj steloj eĉ la neŭtronoj kunfandiĝas kaj neniu forto en la universo sufiĉe grandas por kontraŭi la kunpremiĝon. La stelo malkreskadas ĝis ĝi iĝas senfine malgranda. Alivorte, ĝi iĝis nigra truo.
Foti nigran truon
Antaŭ nelonge, la unua bildo de nigra truo publikiĝis kaj iĝis novaĵego ĉie en la mondo. Ĝi estis la rezulto de granda internacia kunlaboro kun astronomoj kaj teleskopoj el multaj landoj sub la nomo “Event Horizon Telescope” (Eventhorizonta Teleskopo). La matematiko, kiu priskribas nigrajn truojn, jam ekzistas dum jarcento, kio igas onin demandi sin, kial neniu vidis nigran truon ĝis ĉi-jare. Kompreneble la respondo temas pri kiom malfacile foti nigran truon povas esti.
La EHT havis observis la supermasan nigran truon en la centro de la galaksio Messier 87 (M87). Tiu elekto ŝajnas iom stranga, pro tio ke la Lakta Vojo havas propran supermasan nigran truon, sed oni ne elektis M87 tute hazarde. La nigra truo en la centro de la Lakta Vojo, Sagittarius A*, havas mason ĉirkaŭ 4 milionojn da fojoj pli grandan ol tiu de la Suno. Tio estas nekredeble multe, sed nenio kompare al la maso de la nigra truo en M87 de pluraj miliardoj da Sunoj. Tio signifas ke la Schwarzschildradiuso de la nigra truo en M87 estas pli ol 120AU (astronomiaj unuoj: 1AU estas la distanco inter la Suno kaj la Tero). La Schwarzschildradiuso de Sagittarius A* eĉ ne atingas 1AU. Kvankam la fotita nigra truo estas tre granda, ĝi daŭre estas tiom for, ke ĝia grandeco en la ĉielo estas nur 19-38μas. Por kompreni tiun nombron, oni sciu ke oni mezuras objektojn en la ĉielo per gradoj. La diametro de la Luno estas ĉirkaŭ duona grado. Pli etaj objektojn oni mezuras per angulaj minutoj, kiuj estas sesdekonoj de grado kaj angulaj sekundoj, kiuj estas sesdekonoj de angulaj minutoj. La grandeco de la nigra truo estas mezurata en angulaj mikrosekundoj, aŭ miliononoj de angulaj sekundoj. Tia grandeco estas komparebla al la punkto sur la ”i” en la dokumentoj, kiujn la Apollo misio lasis sur la Luno, vidite de la Tero.
Neniu sola teleskopo surtere kapablas foti objektojn, kiuj aspektas tiom etaj en la ĉielo kiel la nigra truo en M87. Por foti tian objekton, oni bezonus teleskopon, kiu tiom grandas kiel la tero mem. Tio kompreneble ne eblas, sed astronomoj havas bonan kromvojon por tamen krei tian teleskopon. Kiam oni observas la saman objekton per du teleskopoj kaj kombinas ilin, oni pensus ke la distingpovo duobliĝus, sed eĉ pli bonas. Kiam oni kombinas du teleskopojn, ili agas kiel teleskopo tiom granda kiel la distanco inter ili. Se oni do metas unu teleskopon en Madrido kaj unu en Moskvo, oni havas la distingpovon de teleskopo tiom granda kiel Eŭropo. La EHT do ne estas unu teleskopo. Ĝi estas reto de grandaj profesiaj observatorioj ĉie sur la mondo, eĉ sur Antarkto. Interesa fakto estas ke la kvanto de datumoj, kiuj devis esti kolektataj estis tiom granda, ke oni ne povis uzi dratojn aŭ la interreton por sendi ilin. Anstataŭe oni uzis aviadilojn, kiuj fizike transportis la durdiskojn. Reto de teleskopoj do estas tre utila kiam oni volas distingi tre forajn, etajn objektojn, sed ĝi ankaŭ havas problemon. La EHT havas la distingpovon de teleskopo tiom granda kiel la tero, sed ĝi ne kolektas same multe da lumo. Por solvi tiun problemon, oni bezonis rigardi la nigran truon tre longe kaj kombini la lumon kolektitan dum tiu longa tempo. Lui teleskopojn kaj pagi astronomojn estas multekosta tamen, do la observtempo devis esti kiel eble plej mallonga. Ankaŭ tiu faktoro kontribuis al la elekto de M87, ĉar la supermasa nigra truo en tiu galaksio estas multe pli aktiva ol tiu en la Lakta Vojo. Kiam la datumoj estis elektitaj, homoj kaj komputiloj kunlaboris por krei bildon el ili. Ili faris tion en malsamaj teamoj, kiuj ne rajtis komuniki, por vidi ĉu ili venus kun la sama rezulto. La rezulto de tiu grava laboro estas la unua bildo de nigra truo, kiu videblas ĉi-sube.
Kiel interpreti la bildon
Nigraj truoj absorbas ĉiun lumon. Tial ili estas nigraj. Kion oni do vidas sur la bildo? Por pli bone kompreni tion, oni devas kompreni kiel nigra truo estas strukturita kaj kion ĝi faras al siaj ĉirkaŭaĵoj. La plej grava parto estis la eventa horizonto. Ĝi absorbas ĉiun lumon kaj do aspektas kiel ombro. Tio klarigas kial la mezo de la bildo estas tute nigra. La ombro estas multe pli granda ol oni atendus, parenteze. Pro tio ke nigraj truoj kurbigas la spacon ĉirkaŭ si, ankaŭ lumo kiu preterirus la nigran truon povas esti ensuĉata. La bela parto de la bildo ne estas la eventa horizonto tamen. Ĉirkaŭ aktiva nigra truo rondiras disko de materialo, per kiu la nigra truo nutras sin. Tiu materialo nomiĝas la alkreska disko. La disko iras tre rapide kaj povas alproksimiĝi al la rapido de lumo. La ekstremaj kondiĉoj igas la diskon milionojn da gradoj varma, kio igas ĝin brile elsendi radion. La oranĝkolora (la koloroj en la bildo estas malveraj) svaga cirklo sur la bildo estas tiu alkreska disko. Iom aspektas kvazaŭ la foto estas farita de supre, pro tio ke oni vidas la tutan diskon. Ĉe Saturno ekzemple, parto de la disko ne videblas, ĉar ĝi estas malantaŭ la planedo. Kiam temas pri nigra truo tamen, tio estas iluzio. Oni ĉiam vidas la tutan diskon, sendepende de la angulo. Por kompreni tion, oni komprenu ke la cerbo pensas ke lumo ĉiam iras rekte, eĉ se ĝi iras tra kurbita spaco. Kiam parto de la disko estas malantaŭ la nigra truo, la forta gravita kampo tiel kurbigas la lumon, kiun la disko elsendas, ke ĝi tamen atingas la Teron. La lasta efiko, kiu videblas, estas ke parto de la disko aperas multe pli brila ol alia parto. Tio estas la rezulto de Dopplerradiado. Tio kaŭzas ke la parto de la disko, kiu moviĝas en nian direkton aspektas pli hela ol la parto kiu moviĝas for de ni.
Kvankam la unua vera bildo de nigra truo ne estas tiom spektakla kiel en sciencfikcio, ĝi estas ege grava. Ĝi ne nur estas simbolo de bela, internacia kunlaboro, sed ankaŭ pruvas ke la ideoj, kiujn sciencistoj havis pri nigraj truoj estas ĝustaj. La spertoj kaj konoj, kiujn astronomoj akiris per tiu ĉi projekto certe helpos ilin eĉ pli bone kompreni la universon de kiu ni ĉiuj estas parto kaj ĉi tio sendube ne estos la lasta nigra truo, kiun homaro fotis.
Vidu ankaŭ la artikolon de ISAE pri la foto