M87* i Sagittarius A* wyglądają na niebie prawie podobnie duże mimo ogromnej różnicy skali
Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej ma około 4 milionów mas Słońca i leży około 27 tysięcy lat świetlnych od nas. M87* ma około 6,5 miliarda mas Słońca i znajduje się około 55 milionów lat świetlnych stąd. Jest więc ponad tysiąc razy masywniejsza, ale też około dwóch tysięcy razy dalsza. Ponieważ charakterystyczny rozmiar czarnej dziury rośnie proporcjonalnie do masy, te dwa efekty prawie się kompensują. Dlatego ich pierścienie na obrazach Event Horizon Telescope mają rozmiary kątowe tego samego rzędu — około kilkudziesięciu mikrosekund łuku.
Liczy się rozmiar kątowy, nie fizyczny
Teleskop nie rozwiązuje obiektu dlatego, że jest on fizycznie duży, ale dlatego, że zajmuje wystarczająco duży kąt na niebie. Księżyc jest łatwiejszy do zobaczenia niż znacznie większe, ale bardzo odległe obiekty. Dla horyzontów czarnych dziur charakterystyczny rozmiar liniowy skaluje się z masą, natomiast rozmiar kątowy w pierwszym przybliżeniu z ilorazem masy i odległości. To sprawia, że można znaleźć obiekt ogromny, lecz tak daleki, iż na niebie wygląda podobnie do znacznie mniejszego sąsiada.
Dwie skrajnie różne czarne dziury
EHT oszacował masę M87* na około 6,5 miliarda mas Słońca, a jej odległość na około 55 milionów lat świetlnych. Sagittarius A* ma około 4 milionów mas Słońca i znajduje się w centrum naszej Galaktyki, około 27 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. Stosunki mas i odległości są więc oba rzędu tysięcy. M87* jest fizycznie ogromna, lecz jej przewagę rozmiaru niemal kasuje ogromna odległość.
Co faktycznie mierzy EHT
Pierścień Sgr A* zmierzony przez EHT ma średnicę około 52 mikrosekund łuku. Dla M87* charakterystyczna skala pierścienia także wynosi około kilkudziesięciu mikrosekund łuku. Mikrosekunda łuku to jedna milionowa sekundy łuku; są to kąty absurdalnie małe. Właśnie dlatego potrzebna była technika VLBI łącząca radioteleskopy na różnych kontynentach w wirtualny teleskop o rozmiarze Ziemi. Oba obiekty są szczególnymi celami, ponieważ należą do czarnych dziur o największych pozornych rozmiarach horyzontowych na ziemskim niebie.
Podobny kąt nie oznacza podobnego tempa zdarzeń
Choć obrazy zajmują podobny kąt, skala fizyczna jest zupełnie inna. Charakterystyczny czas dynamiczny blisko horyzontu także rośnie z masą. To oznacza, że materia wokół dużo mniejszej Sgr A* może zmieniać się w ciągu minut, podczas gdy odpowiednie procesy przy M87* trwają znacznie dłużej. Paradoksalnie więc bliższy i mniejszy obiekt okazał się trudniejszy do obrazowania: w czasie, gdy Ziemia pomagała EHT syntetyzować aperturę, źródło zdążyło zmienić wygląd.
Dlaczego porównanie dwóch obrazów jest cenne
M87* i Sgr A* różnią się masą o ponad trzy rzędy wielkości, środowiskiem akrecji i aktywnością, a mimo to oba pokazują charakterystyczną strukturę pierścienia i centralnego przyciemnienia zgodną z przewidywaniami dla czarnych dziur. Dzięki podobnemu rozmiarowi kątowemu możemy testować tę samą fizykę silnej grawitacji w dwóch bardzo różnych laboratoriach. To niezwykły przypadek astronomicznego „wyrównania szans” przez stosunek masy do odległości.
Podobny rozmiar kątowy ukrywa różnicę miliardów kilometrów
Dla obserwatora oba obiekty mieszczą się w podobnej liczbie mikrosekund łuku, lecz odpowiadająca temu długość liniowa jest skrajnie różna. Sagittarius A* ma promień grawitacyjny liczony w milionach kilometrów, podczas gdy dla M87* skala ta sięga miliardów kilometrów. Jeden „piksel” rekonstrukcji EHT reprezentuje więc zupełnie inną odległość fizyczną w obu galaktykach. To dobry przykład podstawowej zasady astronomii: obraz na niebie koduje kąt, a nie metry. Dopiero niezależna wiedza o odległości pozwala przeliczyć rozmiar kątowy na prawdziwy rozmiar obiektu i porównać fizykę w jednostkach promienia grawitacyjnego.