FOTOGRAFIJA CRNE RUPE

Izdvajamo

• Prve crne rupe pronađene su početkom sedamdesetih 20. stoljeća, na sličan, posredan način, iz ponašanja zvijezda u njihovoj blizini. Ubrzo su modeli crnih rupa postali jedna od glavnih tema teorijskih astrofizičara. Sfera Schwarzschildovog radijusa, granica područja iz kojeg ne može doći ni materija ni energija, ni informacija o ikakvom događaju, nazvana je horizont događaja. Horizont događaja nije ništa materijalno, tek četverodimenzionalna međa iza koje ne postoji materija kakvu poznajemo, a poznata materija kao da nestaje u središtu te sfere, bezdimenzionalnoj matematičkoj točki. Od nje ostaje samo gravitacija, trajna zakrivljenost prostora na granici našeg svemira, granici svemira naspram rupe u prostoru i vremenu.

Povezani članci

• Rehabilitacija Velike Srbije
• Za fiksirane izbore
• Zatvor za Juriča
• Ruski rulet
• Bajtal: Od Ljubića nikad nismo čuli ništa dobro, nego je uvijek bilo u službi tenzija
• Amila Omersoftić: Slovenija neće pobjeći od svojih obaveza

Ingenioznost i dovitljivost astrofizičara, inžinjera i stručnjaka za kompjutersku obradu podataka, umrežavanje osam radioteleskopa smještenih od vrha ugaslog vulkana na Hawaiima, preko sistema radioteleskopa na vrhovima Andi, do radioteleskopa u bazi Amundsen – Scott na Južnom polu, korištenje atomskih satova za sinhronizaciju tih radioteleskopa kako bi se efektivno pretvorili u jedan radioteleskop promjera dvanaest tisuća kilometara, korištenje superračunala za slaganje podataka dobivenih radiovalovima, u sliku crne rupe iz središta galaksije udaljene 54 milijuna svjetlosnih godina, zaslužuje svoju vlastitu priču.     

Predstavnici međunarodnog znanstvenog projekta „Teleskop horizonta događaja“ održali su 10. travnja 2019. šest konferencija za novinare, u Bruxellesu, Washingtonu, Tokiu, Shanghaiu, Taipeiu, Santiagu de Chile. Na svim tim press konfrencijama pokazana je prva fotografija crne rupe. Istaknuto je da je do te fotografije doveo višegodišnji rad dvijestotinjak znanstvenika iz preko 20 zemalja.

Što ta fotografija prikazuje priča je koja svoj početak ima prije više od stotinu godina. Način kako je ta fotografija dobivena govori o znanosti kao zajedničkom poduhvatu čovječanstva i, lako moguće, nagovještava kakvi će veliki znanstveni projekti u budućnosti biti.

Foto: Reuters

Priča vezana za ovu fotografiju počinje usred Prvog svjetskog rata, u nekoj zemunici na njemačko – ruskom frontu, početkom zime 1915. Artiljerijski poručnik Karl Schwarzschild, tada već teško bolestan, šalje s fronta Einsteinu pismo, a u prilogu i točno rješenje jednadžbi polja iz netom objavljene Einsteinove Opće teorije relativnosti. Pismo završava riječima: „Kao što vidite, rat je prema meni dovoljno obziran da mi, unatoč jakoj artiljerijskoj vatri, dozvoljava da se odmaknem od njega i odšetam u svijet Vaših ideja.“

Osim što se kao četrdesetogodišnjak i kao Židov javio kao dobrovoljac u njemačku vojsku, Shwarzschild je bio i član Pruske akademije znanosti i jedan od najbriljantnijih njemačkih astrofizičara. Sam je Einstein riješio jednadžbe polja aproksimativno, mislio je da su one prekomplicirane da bi se mogle točno riješiti. (U odgovoru Schwarzschildu Einstein piše: „Pročitao sam Vaš članak s najvećim interesom. Nisam očekivao da bi netko mogao formulirati točno rješenje na tako jednostavan način.“)

Da bi se razumijelo Schwarzschildov rad, bar u glavnim crtama i na nivou ideje, potrebno je, na ovom mjestu, pozvati se na srednjoškolsko znanje matematike i fizike. U novinskim člancima uobičajeno je pretpostaviti srednjoškolsko znanje književnosti ili povijesti, na to se gleda kao na pitanjem opće kulture. Ali pozivanje na predznanje u prirodnim znanostima, a pogotovo matematičke formule, smatra se kao nešto što će tekst učiniti dosadnim i odbiti većinu čitatelja. Taj stav nije bez osnove; za ovaj i slične tekstove relevantna je pjesma Walta Whitmana „Kad sam čuo učenog astronoma“, iz zbirke „Vlati trave“:

«Kad sam čuo učenog astronoma,
Kad su mi pokazali karte i dijagrame da ih zbrajam, dijelim i mjerim,
Kad sam sjedio i čuo astronoma kako predaje uz mnogo aplauza u sali za predavanje,
Kako brzo sam neobjašnjivo umoran postao i slab
Dok nisam ustao i odšuljao se, odlutao sam
U tajanstveni vlažni noćni zrak i povremeno, u savršenoj tišini, dizao pogled prema zvijezdama.»

Uz rizik da neki od čitatelja postanu „umorni i slabi“, u ovom tekstu se poziva na dvije formule:

Klasični, Newtonov, izraz za gravitaciju na površini kugle radijusa R i mase M jest

Iz Schwarzschildovog rješenja jednadžbe polja iz Opće teorije relativnosti, izlazi da osim R = 0 postoji još jedna kritična vrijednost radijusa; kad se kugla mase M stisne na radijus

nikakvo elektromagnetsko zračenje s površine ili iz unutrašnjosti te kugle neće biti moguće, a na njenoj površini, za vanjskog promatrača, vrijeme će stati.

Račun i teorija iza Shwarzschildovog rezultata daleko su iznad srednjoškolske matematike i fizike i nije ih moguće pojednostavniti na nivo znanstveno-popularnog teksta.

Ako se u Newtonovoj formuli za gravitaciju (1), radijus R smanjuje, a masa M ne, gravitacija raste. U jednom času, kad radijus padne na veličinu (2), koja se danas zove Schwarzschildov radijus, iz Opće teorije relativnosti slijedi da ništa, pa ni svjetlost, elektromagnetsko zračenje, neće moći izaći iz unutrašnjosti sfere tog radijusa (ali će sve, i materija i elektromagnetsko zračenje, moći u nju upasti bez povratka).

U prirodi, odnosno u prirodi kakva je bila poznata početkom 20. stoljeća, takve stvari se nisu događale. Nikakvo nebesko tijelo mase M ne steže se prema kugli Schwarzschildovog radijusa, pogotovo ne prema kugli radijusa nula, pri čemu bi gravitacija na kugli težila u beskonačnost, a masa M nestala u bezdimenzionalnoj matematičkoj točki.

U Schwarzschildovom radu prvi je puta dano točno rješenje jednadžbi polja Opće teorije relativnosti. Einstein je taj rad predstavio u Pruskoj akademiji nauka početkom 1916. Dio njemačkih fizičara i astronoma ocijenio je Schwarzschildov rad kao veliko postignuće. Za to je trebalo razumijeti uistinu tešku matematiku nedavno objavljene Opće teorije relativnosti i prihvatiti njene kontraintuitivne zaključke. Ali hipotetsko tijelo krajnje čudnih karakteristika, čiji radijus se pojavljuje u Schwarzschildovom rješenju, vodeći astronomi i fizičari, uključujući Einsteina, smatrali su posljedicom matematičkog izraza, a ne stvarnom fizikalnom mogućnošću; slično kao neograničeni rast gravitacije kad u Newtonovom izrazu za gravitaciju (1), radijus teži nuli.

Schwarzschilda više nije bilo da nastavi svoj rad; umro je u svibnju 1916. Većina znanstvenika van Njemačke saznala je za njegovo rješenje, kao, uostalom, i za Opću teoriju relativnosti, po završetku Prvog svjetskog rata. Kako nije bilo nikakvih teorija koje bi predvidjele sažimanje nebeskog tijela mase M u kuglu Schwarzschildovog radijusa, niti su astronomska opažanja nagovještavala tu mogućnost, takva kugla sve je više smatrana matematičkim kuriozitetom i polako padala u zaborav.

Priča iza fotografije crne rupe nastavlja se na putničkom brodu koji 1930. plovi iz Indije za Englesku. Subrahmanyan Chandrasekhar ima 20 godina. Nedavno je diplomirao fiziku i matematiku na sveučilištu u Madrasu i kao odličan student dobio je stipendiju za postdiplomski studij u Cambridgeu. Monotone dane na brodu Chandrasekhar krati čitajući članke iz kvantne mehanike, područja fizike koje ga je toliko fasciniralo da se u njemu samoeducirao paralelno sa studijem.

Raskošni sjaj zvijezda u tropskim noćima iznad broda kojim je putovao Chandrasekhar, dolazio je uglavnom od fuzije atoma vodika u atome helija u središtu tih zvijezdi. Taj proces u životnom ciklusu zvijezda fizičarima će postati jasniji tokom tridesetih godina 20. stoljeća. Prvi članak o fuziji kao mogućem izvoru energije u zvijezdama objavljen je 1929.

Chandrasekhara je interesirala jedna posebna vrsta zvijezda, tako zvani bijeli patuljci, zvijezda otkrivenih u nekim binarnim parovima na osnovu djelovanja njihove gravitacije na drugog člana para, zvijezdu uobičajene vidljivosti i veličine. Astronomi su registrirali pomicanje vidljive zvijezde pod djelovanjem njenog nevidljivog pratioca. Bilo je poznato da Sirius, najsjajnija zvijezda na noćnom nebu, ima takvog pratioca, a u doba Chandrasekharovog školovanja ustanovljeno je da pratioc Siriusa ima sjaj i masu slične sjaju i masi Sunca ali radijus poput Zemlje. Gravitacija na površini tog bijelog patuljka bila je tristo tisuća puta veća nego na Zemlji i Chandrasekhar si je postavio pitanje zašto vlastita gravitacija ne zdrobi bijelog patuljka, kakva vrsta sila drži u ravnoteži toliku gravitaciju.

Tokom putovanja uspio je pokazati da bi se u uvjetima ekstremnog pritiska kakav gravitacija stvara u bijelom patuljku, a na osnovu teoretskih rezultata iz kvantne mehanike, trebale pojaviti takve sile. (Pokazati će se da su te sile sasvim drugačije prirode od sila proizvedenih fuzijom u aktivnim zvijezdama.) Da li su te sile dovoljno velike da uspostave dinamičnu ravnotežu sa silom gravitacije i zaustave stezanje bijelog patuljka? Iz računa je izlazilo da je to moguće ako masa bijelog patuljka ne prelazi određenu granicu.

U Cambridgeu je Chandrasekhar upisao postdiplomski iz astrofizike. Paralelno sa studijem Chandrasekhar dopunjuje svoja promišljanja i račune započete na putovanju za Englesku i pretvara ih u strogo formuliran znanstveni rad. Jedan od njegovih profesora i voditelja je Sir Arthur Eddington, apsolutni autoritet u astrofizici i astronomiji, čovjek koji je eksperimentalno potvrdio Opću teoriju relativnosti. Poslije obrane svoje disertacije Chandrasekhar se redovno sastaje s Eddingtonom, diskutira svoj rezultat da masa bijelog patuljka ne može biti veća od 1.4 mase Sunca, a ako jeste onda se proces sažimanja zvijezde kad potroši „gorivo“ neće zaustaviti na bijelom patuljku, da u njegovom računu nema donje granice na kojoj bi se sažimanje trebalo zaustaviti.

Svoje rezultate Candrasekhar predstavlja početkom 1935. u Kraljevskom astronomskom društvu u Londonu. Govori o pojavljivanju sila zbog relativističke degeneracije elektrona, pojave predviđene u kvantnoj fizici. Stezanjem materije pod gravitacijskim djelovanjem, slobodni elektroni dolaze sve bliže, njihov položaj je sve određeniji, tada, zbog prirodnih zakona koji bitno određuju pojave na nivou atoma i elementarnih čestica, ti elektroni dobivaju sve veću brzinu pa time i kinetičku energiju. Tako nastala energija drži u ravnoteži gravitacionu silu kod bijelog patuljka. Ali postoji gornja granica tako proizvedene kinetičke energije; određena je time da brzina slobodnih elektrona ne može preći brzinu svjetlosti. I tu Chadrasekhar iznosi glavni rezultat svog rada; ako zvijezda pri stezanju svog volumena dođe u fazu bijelog patuljka s masom većom od 1.4 mase Sunca, stezanje neće na toj fazi stati nego će se nastaviti.

Poslije njega govorio je Eddington. Njegova glavna teza bila je da relativistička degeneracija ne postoji. Cijela Chandrasekharova teorija mora biti kriva jer vodi do apsurdnog zaključka da se masivna zvijezda na kraju svog životnog puta steže u točku.

Eddingtonov autoritet nasuprot tvrdnjama njegovog dvadesetčetverogodišnjeg studenta učinio je da Chandrasekharov rad ostane godinama zaboravljen. Pažljiviji promatrač zamislio bi se nad činjenicom da je Eddington, na osnovu intuicije, osporio samo zaključke Chandrasekharovog računa, ne i račun. Da naša intuicija, građena u svijetu malih brzina, relativno slabe gravitacije i udaljena deset redova veličina od svijeta atoma, nije pouzdan vodič izvan ambijenta u kojem je razvijena. Kao i nad time da je Chandrasekharov rad dao prvu fizikalnu mogućnost da se stvarna zvijezda stisne na Schwarzschildov radijus.

Chandrasekharov članak ostao je bez nastavka i usamljen. Sam Chandrasekhar nastavio je svoju karijeru na sveučilištu u Chicagu i u drugim područjima astrofizike.

A onda su 1938. i 1939. objavljena tri članka Roberta Oppenheimera i njegovih studenata gdje se sličnim argumentima kao u Chandrasekharovom radu dokazuje da se velike zvijezde, ako u fazi bijelog patuljka imaju masu izmeđi 1.4 i 3 mase Sunca,  stežu na tijelo-zvijezdu sastavljenu gotovo samo od neutrona. Takva hipotetska neutronska zvijezda mase Sunca imala bi radijus nekoliko desetaka kilometara, a gravitaciju na površini sto miljardi puta veću nego što je gravitacija na Zemlji (tijelo težine jednog grama na Zemlji težilo bi na neutronskoj zvijezdi sto hiljada tona). Članci su zapravo tvrdili da postoji jedna moguća međufaza, neutronska zvijezda, u onome što je predvidio Chandrasekhar. Ako bi masa neutronske zvijezde bila 2.2 puta veća od mase Sunca sažimanje bi se nastavilo kao i u Chandrasekharovom modelu.

Završetak Drugog svjetskog rata atomskim bombama, u čijoj proizvodnji su teoretski fizičari, na čelu s Oppenheimerom, imali ključnu ulogu, učinio je i u široj javnosti formule kvantne fizike možda ne razumljivijim ali sigurno uvjerljivijim. Reklo bi se da se paradigma promijenila. Za novu generaciju fizičara i astrofizičara Chandrasekharovi i Oppenheimerovi računi nisu bili tek matematičke apstrakcije nego uvid u to kako bi se priroda mogla ponašati. Hipoteza da se kod velikih zvijezda, pri eksploziji supernove, preostala masa može sažeti ispod Schwarzschildovog radijusa, prošla je put od apsurdne špekulacije do opće prihvaćenog uvjerenja. Naziv ‘black hole’, crna rupa, za tu konačnu fazu u životu velike zvijezde, upotrijebljen u šali na jednom predavanju, usvojen je i u krugovima astrofizičara i u javnosti.

Prvi pulsar, nebesko tijelo koje je u vrlo pravilnim razmacima emitiralo pulseve radiovalova otkrili su radioastronomi 1967. godine. U početku su, zbog te pravilnosti, mislili da se radi o signalima vanzemaljske civilizacije. Pokazalo se da se radi o neutronskoj zvijezdi koja se okrene oko svoje osi stotinjak puta u sekundi.

Prve crne rupe pronađene su početkom sedamdesetih 20. stoljeća, na sličan, posredan način, iz ponašanja zvijezda u njihovoj blizini. Ubrzo su modeli crnih rupa postali jedna od glavnih tema teorijskih astrofizičara. Sfera Schwarzschildovog radijusa, granica područja iz kojeg ne može doći ni materija ni energija, ni informacija o ikakvom događaju, nazvana je horizont događaja. Horizont događaja nije ništa materijalno, tek četverodimenzionalna međa iza koje ne postoji materija kakvu poznajemo, a poznata materija kao da nestaje u središtu te sfere, bezdimenzionalnoj matematičkoj točki. Od nje ostaje samo gravitacija, trajna zakrivljenost prostora na granici našeg svemira, granici svemira naspram rupe u prostoru i vremenu.

Na kraju svoje plodne znanstvene karijere, okrunjene Nobelovom nagradom za fiziku 1983., Chandrasekhar se vratio izučavanju crnih rupa; o tome je objavio knjigu „Matematička teorija crnih rupa“. Kao neobična crtica iz života i gotovo kao igra sudbine zvuči podatak da je jedan od najboljih Chandrasekharovih prijatelja postao Martin Schwarzschild, sin Karla Schwarzschilda. On je, već kao ugledni astrofizičar, došao u USA kao emigrant pred nacistima.

gyanipandit.com

Subrahmanyan Chandrasekhar umro je 1995. Par godina kasnije lansiran je satelit, njemu u čast nazvan Chandra. Krajem 2000. godine Chandra je registrirao snažan mlaz rendgenskog zračenja iz smjera sazviježđa Sagitarius (Strijelac). Sva daljnja istraživanja ukazivala su da se radi o crnoj rupi u središtu naše galaksije, 26 tisuća svjetlosnih godina od Zemlje. Dobila je ime Sagitarius A*, utvrđeno je da ima masu četiri milijuna puta veću od mase Sunca, a Schwarzschildov radijus oko 17 puta veći od sunčevog radijusa. Unutar udaljenosti od jedne svjetlosne godine oko Sagitariusa A* kruže oblaci prašine i milijuni zvijezda, neke brzinama od više tisuća kilometara u sekundi. Registrirana zračenja tiha su jeka kataklizmičnih sudara iznad horizonta događaja, pri kojima se oslobađaju energije kozmičkih razmjera, dio u obliku elektromagnetskog zračenja, od radiovalova do rendgenskih zraka.

Do danas su otkrivene stotine crnih rupa, najbliža na udaljenosti 3000 svjetlosnih godina od Zemlje, a sve ukazuje da većina galaksija u svom središtu ima golemu crnu rupu. U samo jednoj generaciji egzotične tvorevine opisane od Chandrasekhara kao „najsavršeniji makroskopski objekti u svemiru izgrađeni od naših ideja o vremenu i prostoru“, postale su s jedne strane toliko stvarne da smo ih uspjeli fotografirati, a s druge strane naučile su nas postaviti pitanja za koja nismo znali da postoje.

Objavljivanje fotografije crne rupe u travnju 2019. kao da simbolično obilježava stogodišnjicu jednog znanstvenog i tehnološkog pothvata slične važnosti – astronomskog promatranja, pod vodstvom A. Eddingtona, prolaza svjetlosti pored Sunca za vrijeme pomrčine 1919. godine, čiji rezultati su eksperimentalno potvrdili Opću teoriju relativnosti i otvorili novu stranicu u ljudskoj spoznaji.

Senzacionalna fotografija cne rupe obišla je svijet, na njoj se „vidi ono što je nevidljivo“, mjesto na kojem svjetlost nestaje, a vrijeme stoji. To je fotografija „sjene“ crne rupe i njene neposredne okoline. Teoretski model crnih rupa predviđa sjenu crne rupe, tamni krug okružen svjetlim prstenom. Sjena je zapravo slika horizonta događaja stvorena zrakama svjetlosti, odnosno zrakama elektromagnetskog zračenja kad one prolaze zakrivljenim prostorom oko horizonta događaja. Sjena crne rupe trebala bi biti okružena prstenom materije koja kruži oko horizonta događaja i isijava elektromagnetsko zračenje. U onom dijelu prstena gdje se ta materija pri kruženju kreće prema nama, zračenje bi trebalo biti intenzivnije.

Točno to se vidi na fotografiji. Fotografija je, inače, „našminkana“ bojama iz spektra vidljive svjetlosti. U stvarnosti su snimljeni radiovalovi dužine oko jedan milimetar.

Ingenioznost i dovitljivost astrofizičara, inžinjera i stručnjaka za kompjutersku obradu podataka, umrežavanje osam radioteleskopa smještenih od vrha ugaslog vulkana na Hawaiima, preko sistema radioteleskopa na vrhovima Andi, do radioteleskopa u bazi Amundsen – Scott na Južnom polu, korištenje atomskih satova za sinhronizaciju tih radioteleskopa kako bi se efektivno pretvorili u jedan radioteleskop promjera dvanaest tisuća kilometara, korištenje superračunala za slaganje podataka dobivenih radiovalovima, u sliku crne rupe iz središta galaksije udaljene 54 milijuna svjetlosnih godina, zaslužuje svoju vlastitu priču.

Sve zajedno spada to u postignuća na koja gledamo kao na uspjehe čovječanstva. A razmjeri o kojima se radi upućuju na skromnost u procjeni vlastite važnosti i obazrivost prema sićušnom svijetu koji dijelimo sa svim pripadnicima naše vrste pa i sa svim živim bićima.

Novosti