Και όμως, είδαμε το αδιανόητο…

 Το 1915, ο Αλβέρτος Αϊνστάιν παρουσίασε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (μέσω των εξισώσεων πεδίου του, “Einstein field equations”). 

Οι λύσεις αυτών των εξισώσεων -τις οποίες παρήγαγε πρώτος ο Karl Schwarzschild- περιέγραφαν μεταξύ άλλων κάποιες θεωρητικές σημειακές ή σφαιρικές “ανωμαλίες”, “πάνω” στις οποίες η δύναμη της βαρύτητας ήταν τέτοια που μπορούσε να παγιδεύσει μέχρι και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Κοινώς, τίποτα, ούτε καν το φως, δε θα μπορούσε να ξεφύγει από αυτές τις ανωμαλίες, αν βρισκόταν μέσα σε μια ακτίνα, ονόματι “ορίζοντας γεγονότων” (“Event Horizon”).  

Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1960, αυτές οι ανωμαλίες αντιμετωπίζονταν ως μαθηματικά αντικείμενα, που δεν εμφανίζονταν απαραίτητα στον κόσμο. Τότε, όμως, ήταν που αποδείχτηκε θεωρητικά ότι, πράγματι, αυτά τα αντικείμενα εμφανίζονται στο σύμπαν και θα έπρεπε να περιμένουμε πως εν καιρώ κάποιο από αυτά θα παρατηρηθεί επιβεβαιώνοντας τη θεωρία. Ήταν τότε που τους δόθηκε το όνομα “μαύρες τρύπες”. 

Βέβαια, οι πρακτικές δυσκολίες που αναδύονταν στην προσπάθεια παρατήρησης ενός, δεν άφηναν πολλά περιθώρια αισιοδοξίας στους φυσικούς της εποχής. Και όμως, στις 10 Απριλίου 2019, για πρώτη φορά στην ιστορία της ανθρωπότητας, δημοσιεύτηκε μια πραγματική εικόνα ενός τέτοιου αντικειμένου, και συγκεκριμένα της γιγαντιαίας (μάζας 6,5 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την μάζα του Ήλιου) μαύρης τρύπας στην καρδιά του Γαλαξία Messier 87, που βρίσκεται 55 εκ. έτη φωτός μακριά μας.

Η συγκεκριμένη φωτογραφία είναι πέρα για πέρα εντυπωσιακή για πολλούς λόγους. Η ομορφιά ενός αντικειμένου που κανείς άλλος μέχρι σήμερα δεν είχε αντικρίσει – παρά μόνο φανταστεί- είναι ο κυρίαρχος λόγος. Η επιβεβαίωση των θεωρητικών μοντέλων που μας έδιναν παρόμοιες “εικόνες” είναι άλλος ένας. Και βέβαια, η απίστευτα εξαιρετικά δύσκολη προσπάθεια που απαιτήθηκε από χιλιάδες επιστήμονες και τεχνικούς, για να συγκεντρωθούν όλα τα απαραίτητα δεδομένα: μια ωδή στην ανθρώπινη εφευρετικότητα και τις δυνατότητες των τεχνολογιών που μέχρι σήμερα έχουμε αναπτύξει. Τι βλέπουμε, όμως, πραγματικά σε αυτή τη φωτογραφία;

Αρχικά, το “κενό” στο κέντρο του αντικειμένου δεν είναι η ίδια η μαύρη τρύπα. Δεν είναι καν ο ορίζοντας γεγονότων. Οι μαύρες τρύπες καμπυλώνουν εξαιρετικά τον χωροχρόνο γύρω τους.

Δεν παγιδεύονται λοιπόν μόνο οι ακτίνες που “πέφτουν” κατευθείαν μέσα στον ορίζοντα γεγονότων. Ακτίνες που, αν δεν καμπυλωνόταν ο χώρος γύρω από τη μαύρη τρύπα, θα περνούσαν γύρω της, τώρα καμπυλώνονται και παγιδεύονται στο πίσω μέρος της. Τελικά, λοιπόν, οι ακτίνες που καταφέρνουν να φτάσουν σε εμάς είναι αυτές που περνούν σε μια απόσταση τουλάχιστον 2.6 φορές, όση και ο ορίζοντας γεγονότων. Το παρακάτω σχέδιο ίσως βοηθήσει στην κατανόηση αυτής της διαδικασίας:

Το κυρίαρχο χαρακτηριστικό της φωτογραφίας είναι ο φωτεινός δίσκος που βλέπουμε γύρω από τη μαύρη τρύπα. Ονομάζεται δίσκος προσαύξησης (accretion disk), αποτελείται κυρίως από αέρια και σκόνη, ενώ ταυτόχρονα φωτοβολεί. Αυτό συμβαίνει διότι επιταχύνεται σε εξαιρετικές ταχύτητες, κοντινές στην ταχύτητα του φωτός, ενώ θερμαίνεται σε θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών. Δεν “έτυχε” βέβαια να πετύχουμε μία μαύρη τρύπα, της οποίας το επίπεδο του δίσκου μας “κοιτούσε” κάθετα. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι σε όποιο επίπεδο και να βρίσκεται ο δίσκος (σε μια τυχαία γωνία σε σχέση με εμάς), το φως από αυτόν καμπυλώνεται γύρω από τη μαύρη τρύπα. Μια σχετικά ακριβής αναπαράσταση αυτού του γεγονότος είναι η ακόλουθη:

Παρατηρούμε, επίσης, ότι το κάτω μέρος του δίσκου εμφανίζεται πολύ πιο λαμπρό από το πάνω μέρος. Αυτό συμβαίνει, καθώς η μαύρη τρύπα και το αέριο γύρω της δεν είναι στατικά, αλλά περιστρέφονται. Αυτή η περιστροφή σημαίνει ότι ένα μέρος κινείται προς την κατεύθυνση μας, ενώ το υπόλοιπο απομακρύνεται (αυτό φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα προσομοίωσης). Το μέρος, λοιπόν, που έρχεται προς την κατεύθυνσή μας -λόγω του φαινομένου Doppler- φαίνεται πιο φωτεινό.

Παραπάνω βλέπουμε την ίδια μαύρη τρύπα, σε μεγαλύτερη απόσταση, μαζί με τον χώρο γύρω της. 

Εντούτοις, πριν κλείσει το άρθρο, αξίζει να γίνει ειδική μνεία για τη διαδικασία παραγωγής αυτής της μοναδικής φωτογραφίας.

Καταρχήν, ένα μόνο τηλεσκόπιο και μόλις μία ερευνητική ομάδα δε θα μπορούσαν ποτέ να φέρουν εις πέρας αυτόν τον άθλο. Για την παραγωγή της φωτογραφίας χρησιμοποιήθηκαν 8 από τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια παγκοσμίως, απλωμένα σε όλη την υδρόγειο (Χαβάι, Βόρεια Αμερική, Χιλή, Ευρώπη, Ανταρκτική)! Τα τηλεσκόπια χρησιμοποιήθηκαν συλλογικά με μία τεχνική που ονομάζεται “very long baseline interferometry”. Στην ουσία, λειτουργούν σαν ένα τεράστιο τηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης, συνδυάζοντας τις παρατηρήσεις τους. Αυτή η τεχνική έχει ως αρνητικό ότι τα δεδομένα από κάθε τηλεσκόπιο ξεχωριστά είναι αχρησιμοποίητα και δε βγάζουν νόημα, ενώ επιβάλλεται συντονισμός, αφού πρέπει όλα τα τηλεσκόπια ταυτόχρονα να “βλέπουν” σε “καθαρό” ουρανό.  Μόνο με τον συνδυασμό τους μπορούμε να απαθανατίσουμε την εικόνα. Αυτό βέβαια απαιτούσε εξαιρετικά ακριβείς χρονικές μετρήσεις. Ωστόσο, η μαύρη τρύπα αποτελούσε έναν “κόκκο” στον νυχτερινό ουρανό και, δεδομένου ότι ο πλανήτης βρίσκεται σε κίνηση, οι προκύπτουσες αποκλίσεις -ακόμα και εκατοστών του δευτερολέπτου- θα κατέστρεφαν τις μετρήσεις.

Για να πετύχουμε αυτόν τον συγχρονισμό, χρησιμοποιήθηκαν ατομικά ρολόγια υδρογόνου, τα οποία είναι τόσο ακριβή που “χάνουν” ένα δευτερόλεπτο κάθε 100 εκ. χρόνια. 

Επίσης, κάθε τηλεσκόπιο παρήγαγε 64 Gigabits δεδομένων ανά δευτερόλεπτο, που μεταφράζεται κυριολεκτικά σε τόνους σκληρών δίσκων που χρησιμοποιήθηκαν για την αποθήκευσή τους. Τέτοιος όγκος βεβαίως δεν δύναται να μεταδοθεί ηλεκτρονικά και έπρεπε να συγκεντρωθεί σε μία φυσική θέση για επεξεργασία (για την ακρίβεια υπήρξαν 2 φυσικές θέσεις, μία στις ΗΠΑ και μία στη Γερμανία). Αν και τα περισσότερα δεδομένα ταξίδεψαν σχετικά σύντομα μετά τη συλλογή τους, τα δεδομένα του σταθμού της Ανταρκτικής περίμεναν μήνες, ώστε να ξεκινήσουν οι πτήσεις των αεροπλάνων. 

Η επικεφαλής της ομάδας ανάπτυξης του αλγορίθμου απεικόνισης, Katie Bouman, με ένα μικρό μέρος των σκληρών δίσκων με τα δεδομένα που συλλέχθηκαν.

Τέλος, αναφορά πρέπει να γίνει και στους χιλιάδες ανθρώπους που εργάστηκαν για την πραγμάτωση αυτού του κολοσσιαίου επιτεύγματος, επιστήμονες, προγραμματιστές, μηχανικούς κλπ. Η εργασία τους και ο συνδυασμός τεχνολογιών, που ο μέσος άνθρωπος ίσως δεν κατανοεί πού μας ωφελούν, πέτυχε να παράξει κάτι που στην ιστορία της ανθρωπότητας δεν έχει υπάρξει ποτέ ξανά και που -ακόμα και μερικές δεκάδες χρόνια πριν- θεωρούνταν “αδιανόητο”…  

Πηγές:

1. http://www.astronomy.com/-/media/Images/News%20and%20Observing/News/2019/01/BlackHoleTravel.jpg?mw=600&fbclid=IwAR38C0RDYC_2oBsQFz3aJJq0UODQVKZWfxvEdMtEBm744fVV1GQsxdAerG4 
2. https://ichef.bbci.co.uk/news/976/cpsprodpb/15B5E/production/_94262988_img_0929.jpg
3. https://scontent.fath5-1.fna.fbcdn.net/v/t1.0-9/56874439_2136562849791996_8938533160153513984_n.png?_nc_cat=108&_nc_ht=scontent.fath5-1.fna&oh=8ebd48d442a6bbfb23292c581913234f&oe=5D494B8B
4. https://scontent.fath5-1.fna.fbcdn.net/v/t1.0-9/57090140_2136563029791978_552699090551439360_n.jpg?_nc_cat=102&_nc_ht=scontent.fath5-1.fna&oh=71d1c75c5e802642bb600501c380df7f&oe=5D4A3E9E   https://www.sciencenews.org/article/event-horizon-telescope-black-hole-picture
5. Oldham, L. J.; Auger, M. W. (March 2016). “Galaxy structure from multiple tracers – II. M87 from parsec to megaparsec scales”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.457(1):421-439.
6. arXiv:1601.01323. Bibcode:2016MNRAS.457..421O. doi:10.1093/mnras/stv2982.
7. Schwarzschild, K. (1916). “Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie”. Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften. 7: 189–196. Youtube channel “Veritasium”: “How to Understand the Image of a Black Hole”, April 9, 2019