Črna kot črnilo

So vam starši kdaj očitali, da vaša soba izgleda kot črna luknja, ker je bila tako razmetana? Potem bodo ob poslušanju današnjega znanstvenega komentarja izvedeli, da je njihova obtožba fizikalno napačna. Črne luknje so namreč tako masivne, da iz njih ne pobegne niti svetloba, zato vaši starši v resnici sploh ne bi mogli videti, da imate razmetano sobo. No,  to dejstvo bi vam v debati z njimi verjetno bore malo pomagalo. Zelo pa pomaga astronomom in astronomkam pri raziskovanju in razumevanju vesolja, tako na praktičnem kot teoretičnem področju astrofizike.
 

Črna luknja nastane, ko supermasivna zvezda, torej zvezda z maso, večjo od štiridesetih sonc, pride do konca svojega življenja. Medtem ko se lažje zvezde skozi življenje ves čas ohlajajo in se v njihovih jedrih vzpostavi ravnovesje med tlakom degeneriranih elektronov in gravitacijo, se pri supermasivnih zvezdah to ne zgodi. Razlog je v tem, da imajo zaradi svoje mase tako močne zvezdne vetrove, da odvržejo svojo ovojnico in ohranijo ali celo povečajo svojo temperaturo. Tovrstne zvezde so zaradi visokih temperatur površja modre ali celo bele in njihova jedra dovolj vroča, da lahko potečejo tudi jedrske reakcije z ogljikom, zvezda pa s sproščanjem energije postopoma izgublja na masi. Ko ima le še nekaj mas Sonca, so pogoji zadoščeni, da se v njej prične zlivanje težjih elementov. Pri najtežjih zvezdah se elementi zlivajo vse do železa. Ko železno jedro preseže svojo mejo stabilnosti, se sesede in zvezda se zato razleti v supernovi. Za njo pa ostane črna luknja.

Splošna relativnostna teorija nam pove, da se v središču črne luknje nahaja gravitacijska singularnost. V tej točki nam teorija odpove in interpretacija gravitacije kot geometrije ni več pravilna. To je področje vesolja, kjer je ukrivljenost prostora-časa neskončna. Prostor-čas je izraz za fizične dimenzije, v katerih živimo, torej tri smerne osi in eno časovno. Izračuni nam povedo, da je celotna masa črne luknje zbrana v tej točki singularnosti, ki pa ima ničelni volumen. Tako je v resnici črna luknja le ena sama matematična točka z neskončno gostoto, obdana z obzorjem dogodkov. To je razdalja, pri kateri je pobeg iz luknje nemogoč tudi za svetlobo, zato imamo občutek, kot da vidimo črno kroglo.

Na maso in število črnih lukenj vpliva zvezdni veter, ki je rezultat ravnovesja med gravitacijo in sevalnim tlakom oziroma tlakom fotonov, ki nastanejo pri jedrskih reakcijah. Lastna gravitacija zvezde pomika maso proti središču, medtem ko sevalni tlak reakcij v jedru potiska material navzven. Kadar je sevalni tlak močnejši, se to izrazi v izstreljenem plinu, ki mu pravimo zvezdni veter. Zaradi tega se zvezda malo razširi, število in moč reakcij se zmanjša in s tem tudi sevalni tlak, zato se zvezda pod vplivom gravitacije zopet skrči na prvotno velikost.

Do pred kratkim sta bila zaznava črnih lukenj in merjenje njihovih lastnosti skoraj nemogoča. Nedavno pa je astronomom in astronomkam z novimi in boljšimi metodami uspelo popraviti dosedanje rezultate. Tako so na primer na novo določili razdaljo od nas do črne luknje v ozvezdju Laboda in izračunali njeno maso. Ta luknja se nahaja v binarnem sistemu Labod X-1, kjer krožita črna luknja in supermasivna nadorjakinja okoli skupnega težišča. V takem sistemu nadorjakinja izgublja maso preko zvezdnega vetra, ki ga srka črna luknja. Ker pa je črna luknja, hja, črna, je odkrivanje teh objektov izjemno težko. Ravno zato so takšni sistemi zvezd in črnih lukenj priročni, saj zaznamo obstoj luknje po zvezdinem vetru, ki je dovolj svetel, da ga vidimo. Skupina je razdaljo od Zemlje do črne luknje določila s postopkom radiometrije, s katero astronomi in astronomke s pomočjo radijskih valov, ki imajo frekvenčno območje okoli 89,3 MHz, določajo razdalje v vesolju.

Preden nadaljujemo, naj razložimo še motivacijo za ponovno merjenje mase in razdalje. Pred njimi so to razdaljo izmerili z metodo kotne paralakse, tokrat pa so uporabili meritve misije Gaia. Ta teleskop, ki mu je uspelo dobiti najbolj natančne meritve razdalje in radialne hitrosti do sedaj, želi narediti čim bolj točen zemljevid Galaksije. Opazovana črna luknja se po njihovih meritvah nahaja 2,2 kiloparseka daleč oziroma dobrih sedem tisoč svetlobnih let. Ko so te podatke analizirali, so ugotovili, da ima maso enaindvajsetih mas Sonca. To je več, kot so izmerili in domnevali do sedaj.

Za zaznavo in opazovanje črnih lukenj pa ne uporabljamo zgolj teleskopov v vesolju, niti ne samo takih, ki so občutljivi le na elektromagnetno valovanje. Observatorij LIGO tako meri gravitacijske valove. Ti se sproščajo denimo ob združevanju dveh črnih lukenj, podobno kot se zvočni valovi sprostijo ob trku dveh masivnih teles. Do sedaj je ta observatorij zaznal deset takšnih združevanj, glede na porast zaznav v zadnjem letu pa bodo najzanimivejša odkritja šele prišla.

Seveda pa ne smemo pozabiti prve slike črne luknje, posnete pred dvema letoma. V vseh prej omenjenih metodah merimo črne luknje le posredno, torej preko gravitacijskih valov ali zvezdinega vetra. Prva dejanska slika črne luknje pa je za človeštvo izrednega pomena, ker potrjuje teoretične modele in napovedi. Obstoj črnih lukenj je bil do sedaj namreč le del Einsteinove splošne teorije relativnosti. Spomnimo, da je še zadnja Nobelova nagrada za fiziko ovenčala odkritelje, citiramo, supermasivnega objekta v središču naše galaksije, konec citata. Sedaj pa je projekt, imenovan Event Horizon Telescope, to uspel tudi dokazati. Slikali so črno luknjo v galaksiji Messier 87 oziroma, bolje rečeno, posneli so njeno senco. Čeprav so pred tem uspeli posneti tudi sliko črne luknje v ozvezdju Strelca, ki se nahaja v središču domače Galaksije, teh podatkov še niso dokončno obdelali in pokazali javnosti.

Luknji so slikali v radijskem spektru svetlobe, saj le ta svetloba prodre skozi plin in prah, ki se nahajata med opazovano črno luknjo in teleskopom na Zemlji. Čeprav bi si kdo mislil, da so črne luknje ogromni objekti, pa so v povprečju velikosti večjih asteroidov ali lun. Ker pa so hkrati zelo oddaljene, potrebujemo za njihovo zaznavo teleskop z izjemno visoko ločljivostjo. Takega teleskopa pa človeštvo za zdaj še ne premore. Zato so astronomi in astronomke povezali večino svetovnih teleskopov, ki merijo v radijskem spektru svetlobe, in združili posamezne meritve. Tako so ustvarili virtualni teleskop, ki je imel efektivni premer zrcala kar v velikosti premera Zemlje.

Naslednje izzive astronomom in astronomkam predstavlja izmeriti spin in polarizacijo magnetnega polja črnih lukenj, za kar bi se morali ti teleskopi ponovno povezati. To predstavlja velik logističen zalogaj, saj je uspešno opazovanje odvisno od delovanja teleskopov, uspešnih komunikacijskih povezav in predvsem vremena. Projekt Event Horizon Telescope je velik korak v pravo smer raziskovanja, saj poleg povezovanja teleskopov za doseganje boljše ločljivosti povezuje tudi znanje astronomov in astronomk s celega sveta. Vseeno pa za zdaj še vedno ostaja najbolj optimalno posredno merjenje observatorijev Gaia in LIGO.

Kdo izmed poslušalcev in poslušalk bi se lahko vprašal, zakaj je raziskovanje črnih lukenj sploh pomembno. Dejstvo je, da so črne luknje v vesolju zelo številčni objekti in igrajo pomembno vlogo pri razvoju zvezd. Brez masivnih črnih lukenj namreč ne bi bilo galaksij. Tudi naše ne. Zaradi vpliva na posamične zvezde do oblikovanja galaksij so črne luknje nepogrešljiv, a slabo raziskan pojav za dopolnitev modela razumevanja vesolja. Črnim luknjam tako ne uide niti svetloba niti naša radovednost. 

V črno luknjo bi skoraj padel vajenec Filip.