Symulowana tutaj czarna dziura w centrum naszej Drogi Mlecznej jest największą widzianą z perspektywy Ziemi. Event Horizon Telescope powinien w tym roku przedstawić swój pierwszy obraz tego, jak wygląda horyzont zdarzeń tej centralnej czarnej dziury. Biały okrąg reprezentuje promień Schwarzschilda czarnej dziury. (UTE KRAUS, GRUPA EDUKACJI FIZYCZNEJ KRAUS, UNIVERSITĘT HILDESHEIM; TŁO: AXEL MELLINGER)

Przełom naukowy roku 2019 pokaże nam horyzont zdarzeń Black Hole

Będzie to najbardziej ekstremalny test ogólnej teorii względności Einsteina. I mamy już dane.

Z każdym rokiem całkowita ilość wiedzy, którą ludzkość gromadzi, rośnie i rośnie. Na początku 2015 r. Ludzkość nigdy nie wykryła fali grawitacyjnej; obecnie wykryliśmy 11 i w pełni spodziewamy się znalezienia może setek kolejnych w 2019 r. Na początku lat 90. nie wiedzieliśmy, czy istnieją jakieś planety poza naszym Układem Słonecznym; dzisiaj mamy tysiące, z których niektóre są prawie na tyle dobre, że można je uznać za ziemskie.

Znaleźliśmy wszystkie cząstki w Modelu Standardowym; odkryliśmy, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale przyspiesza; ustaliliśmy, ile galaktyk jest we Wszechświecie. Ale w przyszłym roku wydarzy się coś nowego i bezprecedensowego: po raz pierwszy zobrazujemy horyzont wydarzeń czarnej dziury. Dane są już w zasięgu ręki; reszta to tylko kwestia czasu.

Czarne dziury są dość łatwymi do wykrycia obiektami, gdy już wiesz, czego szukasz. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, ponieważ nie emitują własnego światła, ale mają trzy podpisy, które pozwalają nam wiedzieć, że tam są.

  1. Czarne dziury wytwarzają ogromną grawitację - zniekształcenie / krzywiznę przestrzeni - w bardzo małej objętości przestrzeni. Jeśli możemy zaobserwować skutki grawitacyjne dużej, zwartej masy, możemy wywnioskować istnienie czarnej dziury i potencjalnie zmierzyć jej masę.
  2. Czarne dziury silnie wpływają na otaczające je środowisko. Każda znajdująca się w pobliżu materia nie tylko będzie podlegać intensywnym siłom pływowym, ale będzie przyspieszać i rozgrzewać się, powodując emisję promieniowania spoza horyzontu zdarzeń. Po wykryciu tego promieniowania możemy zrekonstruować właściwości obiektu, który go zasila, co często jest możliwe do wyjaśnienia tylko przez czarną dziurę.
  3. Czarne dziury mogą się inspirować i łączyć, przez co emitują wykrywalne fale grawitacyjne przez krótki czas. Można to wykryć tylko dzięki nowej nauce astronomii fal grawitacyjnych.
Najdalszy strumień rentgenowski we Wszechświecie, od kwazara GB 1428, ma w przybliżeniu taką samą odległość i wiek, jak widziany z Ziemi, jak kwazar S5 0014 + 81, w którym mieści się prawdopodobnie największa znana czarna dziura we Wszechświecie. Uważa się, że te odległe behemoty są aktywowane przez fuzje lub inne interakcje grawitacyjne, ale tylko czarne dziury o największym stosunku masy do odległości będą miały szansę rozwiązać Teleskop Horyzontu Zdarzeń. (X-RAY: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; OPTYCZNE: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Jednak teleskop Event Horizon ma na celu pójść o krok dalej niż którakolwiek z tych metod. Zamiast dokonywać pomiarów, które pozwalają nam wnioskować pośrednio o właściwościach czarnej dziury, idzie ona prosto do sedna materii i planuje bezpośrednio zobrazować horyzont zdarzeń czarnej dziury.

Metoda ta jest prosta i jednoznaczna, ale do niedawna nie była możliwa z technologicznego punktu widzenia. Powodem jest połączenie dwóch ważnych czynników, które zwykle idą w parze w astronomii: rozdzielczość i zbieranie światła.

Ponieważ czarne dziury są tak zwartymi obiektami, musimy przejść do wyjątkowo wysokiej rozdzielczości. Ponieważ jednak nie szukamy samego światła, ale jego braku, musimy bardzo ostrożnie zbierać duże ilości światła, aby ustalić, gdzie naprawdę leży cień horyzontu zdarzeń.

Ułożenie dysku akrecyjnego zarówno w kierunku do przodu (dwa lewe panele), jak i do krawędzi (prawe dwa panele) może znacznie zmienić wygląd czarnej dziury. („W KIERUNKU HORYZONTU WYDARZEŃ - SUPERMASYWNA CZARNA OTWORA W CENTRUM GALAKTYCZNYM”, KLASA. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

Konwencjonalnie teleskop o lepszej rozdzielczości i teleskop o lepszej mocy gromadzenia światła powinien być tym samym teleskopem. Rozdzielczość twojego teleskopu jest określona przez liczbę długości fal światła, które pasują do anteny twojego teleskopu, więc większe teleskopy mają wyższą rozdzielczość.

Z tego samego powodu ilość światła, które można zebrać, zależy od powierzchni twojego teleskopu. Wszelkie fotony, które uderzą w teleskop, zostaną zebrane, więc im większy obszar twojego teleskopu, tym więcej masz mocy do gromadzenia światła.

Powodem, dla którego technologia była czynnikiem ograniczającym, jest rozdzielczość. Wielkość, jaką wydaje się czarna dziura, jest proporcjonalna do jej masy, ale odwrotnie proporcjonalna do jej odległości od nas. Aby zobaczyć największą czarną dziurę z naszej perspektywy - Strzelca A *, znajdującą się w centrum Drogi Mlecznej - potrzebny jest teleskop o wielkości zbliżonej do planety Ziemia.

Duża masa gwiazd została wykryta w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w jądrze Drogi Mlecznej. Oprócz tych gwiazd oraz gazu i pyłu, który znajdujemy, spodziewamy się, że w odległości zaledwie kilku lat świetlnych od Strzelca A * znajdzie się ponad 10.000 czarnych dziur, ale ich wykrycie okazało się nieuchwytne do początku 2018 r. Rozwiązanie centralnej czarnej dziury jest zadaniem, do którego może podnieść się tylko Event Horizon Telescope (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

Oczywiście nie mamy zasobów zdolnych do zbudowania takiego urządzenia! Ale mamy następną najlepszą rzecz: możliwość zbudowania szeregu teleskopów. Kiedy masz szereg teleskopów, otrzymujesz tylko moc gromadzenia światła z poszczególnych teleskopów zsumowanych. Ale rozdzielczość, jeśli zostanie wykonana prawidłowo, pozwoli ci zobaczyć obiekty tak dokładne, jak odstępy między najbardziej odległymi teleskopami.

Innymi słowy, gromadzenie światła jest naprawdę ograniczone rozmiarem teleskopu. Ale rozdzielczość, jeśli zastosujemy technikę interferometrii o długiej linii bazowej (lub jej kuzyn, interferometria o bardzo długiej linii bazowej), można znacznie poprawić, stosując szereg teleskopów z dużą ilością przestrzeni między nimi.

Widok różnych teleskopów przyczyniających się do możliwości obrazowania teleskopu Event Horizon z jednej z półkul Ziemi. Dane z lat 2011–2017 powinny umożliwić nam teraz zbudowanie obrazu Strzelca A * i prawdopodobnie czarnej dziury w centrum M87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C.. MALIN)

Event Horizon Telescope to sieć 15–20 teleskopów zlokalizowanych na wielu różnych kontynentach na Ziemi, od bieguna południowego do Europy, Ameryki Południowej, Afryki, Ameryki Północnej, Australii i wielu wysp na Oceanie Spokojnym. Podsumowując, do 12 000 kilometrów dzieli najodleglejsze teleskopy wchodzące w skład zestawu.

To przekłada się na rozdzielczość tak małą jak 15 mikrosekund (μas), czyli tak mała byłaby dla nas mucha tutaj na Ziemi, gdyby znajdowała się w odległości 400 000 kilometrów: na Księżycu.

Druga co do wielkości czarna dziura widziana z Ziemi, ta w centrum galaktyki M87, pokazana jest tutaj w trzech widokach. Pomimo masy 6,6 miliarda słońc, znajduje się ponad 2000 razy dalej niż Strzelec A *. EHT może to rozwiązać, ale nie musi, ale jeśli Wszechświat jest miły, w końcu otrzymamy obraz. (TELESKOP GÓRNY, OPTYCZNY, HUBBLE SPACE / NASA / WIKISKY; DOLNY LEWY, RADIO, NRAO / BARDZO DUŻY ARRAY (VLA); DOLNY PRAWY, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESKOP)

Oczywiście na Księżycu może nie być żadnych much, ale we Wszechświecie są czarne dziury o rozmiarach kątowych większych niż 15 μas. W rzeczywistości są dwa: Strzelec A * w centrum Drogi Mlecznej i czarna dziura w centrum M87. Czarna dziura w centrum M87 znajduje się w odległości około 50–60 milionów lat świetlnych, ale ma ponad 6 miliardów mas Słońca, co czyni ją ponad 1000 razy większą niż gigantyczna czarna dziura naszej galaktyki.

Event Horizon Telesc działa, biorąc ten ogromny zestaw radioteleskopów i obserwując jednocześnie te czarne dziury, co pozwala nam zrekonstruować obraz w ultrawysokiej rozdzielczości tego, na co patrzymy, o ile zgromadzi się wystarczająca ilość światła, aby to zobaczyć . Pomysł ten został wcześniej zademonstrowany w różnych obserwatoriach, takich jak Wielki Teleskop Lornetkowy, któremu udało się zobrazować wybuchające wulkany na księżycu Jowisza, Io, podczas gdy został przyćmiony przez inny księżyc Jowisza!

Okultyzm księżyca Jowisza, Io, wraz z erupcyjnymi wulkanami Lokiego i Pele, zakrytymi przez Europę, co jest niewidoczne na tym zdjęciu w podczerwieni. GMT zapewni znacznie lepszą rozdzielczość i obrazowanie. (LBTO)

Kluczem do działania Teleskopu Horyzontu Zdarzeń jest zatem upewnienie się, że zgromadzimy wystarczającą ilość światła, aby zobaczyć cień rzucany przez horyzont zdarzeń czarnej dziury, jednocześnie skutecznie obrazując światło dochodzące z jego otoczenia i za nim. Pamiętaj, że czarne dziury przyspieszają materię, a przyspieszenie naładowanych cząstek zarówno wytwarza pola magnetyczne, jak i - jeśli naładowane cząstki przyspieszają w obecności pól magnetycznych - emisję promieniowania.

Najbezpieczniej jest spojrzeć na część radiową widma, która jest częścią o najniższej energii. Oczekuje się, że wszystkie czarne dziury, które przyspieszają materię, będą emitować fale radiowe i widzieliśmy je zarówno z centrum naszej Drogi Mlecznej, jak iz centrum M87. Różnica polega na tym, że przy tych nowych, wysokich rozdzielczościach powinniśmy być w stanie dostrzec „pustkę”, w której leży sam horyzont zdarzeń.

Atacama Large Millimeter / submillimetre Array, sfotografowany z chmurami Magellana nad głową. Duża liczba naczyń blisko siebie, jako część ALMA, pomaga stworzyć wiele najbardziej szczegółowych obrazów w obszarach, podczas gdy mniejsza liczba bardziej odległych naczyń pomaga dopracować szczegóły w najjaśniejszych miejscach. (ESO / C. MALIN)

Rewolucją technologiczną, która powinna umożliwić budowę tych obrazów, jest ALMA *: Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array. Niesamowita sieć 66 radioteleskopów, z których wszystkie są ogromne (patrz wyżej), mierzy to światło o długiej fali, aby odsłonić szczegóły astronomiczne jak nigdy dotąd. Już ALMA pokazała nam zdjęcia zakurzonych dysków wokół nowo formujących się gwiazd, z dowodami na powstawanie planet dla niemowląt (jako pierścieniowe szczeliny na dysku). ALMA potrafi obrazować odległe galaktyki w lepszy sposób niż to, co nawet Hubble może odkryć, i znalazł molekularne sygnatury gazu i rotacje wewnętrzne.

Być może jego największym naukowym darem będą wszystkie informacje, które gromadzi ze światła otaczającego te supermasywne czarne dziury. Zapisanie wystarczającej ilości (i odpowiednich rodzajów) danych, wystarczająco szybko, a następnie połączenie ich z wystarczającą mocą obliczeniową do ich analizy, jest dopiero teraz, po raz pierwszy, możliwe.

Dwa z możliwych modeli, które do tej pory z powodzeniem pasowały do ​​danych z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń, począwszy od 2018 r. Oba przedstawiają asymetryczny horyzont zdarzeń poza centrum, powiększony w stosunku do promienia Schwarzschilda, zgodny z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Pełny obraz nie został jeszcze opublikowany. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Co zatem przyniesie 2019 rok, kiedy wszystkie 27 petabajtów danych (ze wszystkich obserwatoriów oglądających te czarne dziury), zebrane razem, zostaną w pełni przeanalizowane? Czy horyzont zdarzeń pojawi się zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności? Jest kilka niesamowitych rzeczy do przetestowania:

  • czy czarna dziura ma odpowiedni rozmiar, jak przewiduje ogólna teoria względności,
  • czy horyzont zdarzeń jest okrągły (zgodnie z przewidywaniami), czy zamiast tego jest spłaszczony lub wydłużony,
  • czy emisje radiowe rozciągają się dalej, niż myśleliśmy,
  • lub czy są jakieś inne odchylenia od oczekiwanego zachowania.
Pięć różnych symulacji ogólnej teorii względności, wykorzystujących magnetohydrodynamiczny model dysku akrecyjnego czarnej dziury i jak będzie wyglądał sygnał radiowy. Zwróć uwagę na wyraźną sygnaturę horyzontu zdarzeń we wszystkich oczekiwanych wynikach. (SYMULACJE GRMHD WIDOCZNOŚCI WZMOCNIENIE WZMOCNIENIA DLA ZDARZEŃ HORIZON TELESCOPE OBRAZY SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

Chociaż zespół Event Horizon Telescope wykrył strukturę wokół czarnej dziury w centrum naszej galaktyki, nadal nie mamy bezpośredniego obrazu. Wymaga to zrozumienia naszej atmosfery i zachodzących w niej zmian, łączenia danych i pisania nowatorskich algorytmów do ich przetwarzania. To praca w toku, ale w pierwszej połowie 2019 r. Powinny pojawić się ostatnie, pierwsze zdjęcia. Niektórzy z nas liczyli na zdjęcia w tym roku, a nawet w zeszłym roku, ale najważniejsze jest, abyśmy poświęcili czas i starali się, aby wszystko było dobrze.

Kiedy te obrazy w końcu się pojawią, nie będzie już żadnych wątpliwości, czy istnieją czarne dziury i czy mają właściwości, które przewiduje największa teoria Einsteina. Rok 2019 będzie horyzontem wydarzeń i po raz pierwszy w historii ostatecznie dowiemy się, jak wyglądają.

* - Pełne ujawnienie: autor poprowadzi trasę do Chile w ograniczonej przestrzeni, która obejmuje wizytę w ALMA, macierzy teleskopów, która przyczyniła się do zebrania danych dla tego obrazu, w listopadzie 2019 r. (Miejsca nadal dostępne.) Nie otrzymał zewnętrzna rekompensata za ten utwór.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.