Zoran Pusić, profesor matematike na Grafičkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu i građanski aktivista, za Monitor piše o prvoj fotografiji crne rupe, o predistoriji traganja za odgovorima na pitanja za koja nismo znali ni da postoje, o radu Alberata Anštajna, Karla Švarcšilda, Subramanijana Čandrasekara, Artura Edingtona, Roberta Openhajmera…

Jansky je okretanjem i podešavanjem antene odredio da ti radiovalovi dolaze negdje iz sazviježđa Strijelac.

Rezultat svog rada Jansky je iznio u stručnom članku. Neki novinar New York Timesa naišao je na taj članak i uskoro je Times na naslovnici objavio priču o radio signalima iz svemira. Kako su radio signali u predodžbi većine ljudi bili vezani za komunikaciju, dobar dio „nestručne javnosti“ bio je uvjeren da se radi o signalima vanzemaljaca. S druge strane, veći dio „stručne javnosti“, prije svih astronomi, nije prepoznao značaj onoga na što je rad Janskog jasno upućivao: Da se važne informacije o svemiru mogu dobiti i elektromagnetskim valovima duljina različitih od vidljive svijetlosti – elektromagnetskih valova dužine između sedam i četiri desettisućinke milimetra, tek malog dijela u širokom spektru elektromagnetskih valova.

Razvoj radioastronomije počeo je petnaestak godina poslije ovog pionirskog i na pola zaboravljenog otkrića Karla Janskog. Pokazalo se da postoje galaksije koje su snažan izvor radiovalova, registrirale su ih velike, tanjuraste antene radioteleskopa, a optičkim teleskopima su bile gotovo nevidljive. Radioteleskopima su otkriveni i kvazi-zvijezdani radio izvori (quasi-stellar radio sources), quasari. Postepeno je ustanovljeno da quasari emitiraju neobjašnjive količine energije, da su objekti iz ranog svemira udaljeni od nas u vremenu i prostoru i desetak miljardi (svjetlosnih) godina i da se od Mlječnog puta udaljuju brzinama i do 50 hiljada koilometara u sekundi. Danas se smatra da su to ogromne crne rupe koje pod svoj horizont događaja uvlače svake minute materiju čija masa je nekoliko stotina puta veća od mase Zemlje, pri čemu se dobar dio te materije, prije nego nestane u crnoj rupi, pretvara u energiju.

Glavni nedostatak radioteleskopa bila je slaba rezolucija, moć razlučivanja.

Moć razlučivanja našeg oka okulist mjeri tako da nas posjedne na udaljenost d od tabele ispisane redovima slova sve manje veličine i ustanovljava najmanju veličinu slova, označimo ju s , koju još možemo pročitati. Omjer  / uzima se kao mjera rezolucije; kod okulista rezolucije našeg oka, ali to isto vrijedi za optičke i radio teleskope, gdje je  udaljenost od objekta promatranja do objektiva, odnosno tanjuraste antene, a  najmanji razmak između točaka na objektu koje instrument još može razlučiti.

Omjer za teleskop je najmanji kut (kut je ovdje izražen u radijanima, mjeri kuta kao omjeru duljine luka i duljine pripadnog radijusa; npr. pravi kut ima mjeru 90 stupnjeva u stupnjevima, odnosno pi pola, 3.14../2 , u radijanima) razlučivanja dvije točke.

Ustanovljeno je da je kod teleskopa taj minimalni kut proporcionalan

valnoj dužini λ svjetlosti, odnosno radiovalova pristiglih do promatrača, a obrnuto proporcionalan promjeru D objektiva optičkog teleskopa, odnosno tanjuraste antene radioteleskopa. Za rezoluciju (radio)teleskopa vrijedi jednakost

Kako su milimetarski radiovalovi oko tisuću puta duži od valova vidljive svjetlosti, a promjer pomičnih tanjura radioteleskopa samo desetak puta veći od promjera objektiva velikih optičkih teleskopa, biti će minimalni kut razlučivanja za optičke teleskope oko sto puta manji, odnosno rezolucija će biti oko sto puta bolja.

Taj nedostatak riješen je tako da su kablovima povezana dva ili više radioteleskopa međusobno udaljena za iznos B. Zbog razmaka duljine B njihove antene ne primaju signal, radiovalove dužine λ, istovremeno i primljeni signali se sinhroniziraju kroz proces interferencije, zbrajanjem pristiglih radiovalova. Tim postupkom dobije se da rezolucija povezanih antena, međusobno udaljenih za B, postane približno jednaka rezoluciji koju bi imao radioteleskop s tanjurastom antenom promjera B.

Takvi umreženi radioteleskopi zovu se astronomski interferometri s bazom B. Rezolucija astronomskog interferometra postaje

Ako je duljina baze B jedan kilometar ili više, rezolucija astronomskog interferometra usporediva je s rezolucijom velikih optičkih teleskopa.

Pomoću prvih astronomskih interferometara ustanovljeno je da se u središtu Mlječnog puta nalazi crna rupa; gledano sa Zemlje,  to je u smjeru između sazviježđa Strijelca i Škorpiona. I da radiovalovi za koje je Karl Jansky pokazao da dolaze iz svemira i iz tog smjera, nastaju negdje iznad horizonta događaja te crne rupe.

(Kraj)

Komentari

Zoran Pusić, profesor matematike na Grafičkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu i građanski aktivista, za Monitor piše o prvoj fotografiji crne rupe, o predistoriji traganja za odgovorima na pitanja za koja nismo znali ni da postoje, o radu Alberta Anštajna, Karla Švarcšilda, Subramanijana Čandrasekara, Artura Edingtona, Roberta Openhajmera…

U vrijeme kad je Subrahmanyan Chandrasekhar putovao iz Indije u Englesku, na drugom kraju svijeta, u New Jersyu, Karl Jansky završio je konstrukciju dvadesetak metara dugačke i nekoliko metara široke antene za hvatanje radio signala. Par godina ranije Američka korporacija za telefone i telegrafe, AT&T, uspostavila je bežičnu telefonsku vezu, putem radiovalova, između Amerike i Europe. Da bi poboljšala kvalitetu telefonske veze AT&T je naručila od Bellovih laboratorija, novoosnovanog instituta u New Jersyu, istraživanje prirodnih izvora radiovalova koji su, kao šumovi, ometali telefonske razgovore.

Telefonski razgovori prenosili su se radiovalovima dužine desetak metara, tako da je Jansky, a to mu je bio prvi posao po diplomiranju studija fizike, konstruirao antenu odgovarajuće veličine i postavio je na postolje sa starim automobilskim kotačima kako bi se glomazna antena mogla okretati i primati signale iz svih smjerova.

Jansky je antenu spojio na zvučnik i mjesecima slušao različite vrste šumova u koje su antena i zvučnik pretvarali pristigle radiovalove. Malo po malo zaključio je da najglasniji šumovi dolaze od električnog pražnjenja, od munja, pri lokalnim nevremenima. Šumovi slabijeg intenziteta dolazili su od dalekih oluja. Osim toga postojala je još jedna vrsta vrlo slabog ali konstantnog šuma čiji izvor Jansky nije mogao odrediti. Zapravo taj šum nije predstavljao značajnu smetnju radio-telefonskim razgovorima i u svojim ispitivanjima Jansky ga je mogao mirno zanemariti. Ali upravo to da šum ne zna objasniti niti utvrditi njegov izvor potaklo ga je na daljnja istraživanja. Jedino što je Jansky, kroz dugotrajna i mukutrpna istraživanja ustanovio, bilo je da misteriozni izvor slabih radio valova ima maksimum u svom emitiranju svakih 24 sata. Zapravo, preciznim mjerenjem Jansky je našao da razmak između dva maksimuma zračenja nije točno 24 sata nego 23 sata i 56 minuta.

Jednom prilikom, pričajući svom kolegi, astronomu Melvinu Skelletu, o frustrirajućim pokušajima da utvrdi izvor slabih radiovalova, Jansky je spomenuo taj period između dva maksimuma zračenja. Skelletu, kao astronomu, odmah se „upalila lampica“.

Signal radio valova na anteni će biti najjači kad je put signala od izvora do antene najkraći. Ako signal dolazi na Zemlju iz svemira maksimum signala ponavljati će se svaki puta kad antena dođe u isti položaj prema izvoru, kad se Zemlja okrene oko svoje osi. Za promatrača koji je na Zemlji, Zemlja napravi puni krug, dođe u isti položaj prema Suncu, za 24 sata. Međutim, za tih 24 sata, jedan dan, Zemlja se pomakne na svom putu oko Sunca. Puni krug oko Sunca, 360 stupnjeva, Zemlja prođe za 365 dana, dakle prolazi gotovo točno jedan stupanj dnevno. Zbog tog jednog stupnja Zemlja se mora okrenuti oko svoje osi ne 360 stupnjeva nego 361 stupanj da bi došla u isti položaj prema Suncu; to ona čini za 24 sata.

Za 24 sata Zemlja se okrene za 361 stupanj i dolazi u isti položaj prema Suncu

Ali iz perspektive dalekog svemira Zemlja se okrene za puni krug, 360 stupnjeva, u vremenu 24 sata minus vrijeme potrebno za ovaj dodatni stupanj. Vrijeme potrebno da se Zemlja okrene za jedan stupanj dobije se ako 24 sata podijelimo s 361 stupnjem; to je 4 minute.

Dakle, maksimum zračenja iz međuzvijezdanog prostora na anteni će se registrirati svaka 24 sata manje 4 minute, što je jednako 23 sata i 56 minuta!

Odjednom se sve razjasnilo. Misteriozni radiovalovi odgovorni za slabi ali stalni šum u komunikacijama nisu poticali ni od aktivnosti na Zemlji ni od aktivnosti na Suncu, nego su dolazili iz izvora izvan Sunčevog sistema. (Nevjerojatno je ali istinito da se priča identična ovoj oko otkrića radiovalova koji dolaze iz svemira, ponovila tridesetak godina kasnije. Na istom mjestu, na brežuljcima New Jersya, dva fizičara iz Bellovih laboratorija mučila su se 1963. godine s konstantnim smetnjama na anteni originalno konstruiranoj za primanje signala sa satelita, da bi na kraju ta smetnja postala jedno od velikih otkrića 20. stoljeća, pozadinsko svemirsko zračenje ostalo od nastanka svemira u Velikom prasku).

(Nastaviće se)

Komentari

Zoran Pusić, profesor matematike na Grafičkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu i građanski aktivista, za Monitor piše o prvoj fotografiji crne rupe, o predistoriji traganja za odgovorima na pitanja za koja nismo znali ni da postoje, o radu Alberata Anštajna, Karla Švarcšilda, Subramanijana Čandrasekara, Artura Edingtona, Roberta Openhajmera…

Prvi pulsar, nebesko tijelo koje je u vrlo pravilnim razmacima emitiralo pulseve radio valova 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 svemiranaspram 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.

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 SagitariusA*, 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 crne 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.

Zoran PUSIĆ
(Nastaviće se)

Komentari