Najbardziej wizualizowana czarna dziura ze wszystkich, jak pokazano na filmie Międzygwiezdne, pokazuje dość dokładnie przewidywany horyzont zdarzeń dla bardzo określonej klasy wirujących czarnych dziur. W głębi studni grawitacyjnej czas płynie z różną szybkością dla obserwatorów niż dla nas daleko od niej. Oczekuje się, że teleskop Event Horizon po raz pierwszy ujawni emisje otaczające horyzont zdarzeń czarnej dziury. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

6 supermasywnych pytań w wigilię wydarzenia Wielka zapowiedź teleskopu Horizon

Jak powinna wyglądać czarna dziura? Nasze przewidywania teoretyczne wkrótce spełnią nasze pierwsze obserwacje.

W nauce nie ma momentu bardziej ekscytującego niż konfrontacja długoterminowej prognozy teoretycznej z pierwszymi wynikami obserwacji lub eksperymentów. Na początku tej dekady Wielki Zderzacz Hadronów ujawnił istnienie bozonu Higgsa, ostatniej nieodkrytej fundamentalnej cząstki w Modelu Standardowym. Kilka lat temu współpraca LIGO bezpośrednio wykryła fale grawitacyjne, co potwierdza wieloletnią prognozę ogólnej teorii względności Einsteina.

Już za kilka dni, 10 kwietnia 2019 r., Teleskop Event Horizon wyda bardzo oczekiwaną informację, w której ma opublikować pierwszy w historii obraz horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Na początku lat 2010. taka obserwacja byłaby technologicznie niemożliwa. Ale nie tylko niedługo zobaczymy, jak naprawdę wygląda czarna dziura, ale także przetestujemy niektóre podstawowe właściwości przestrzeni, czasu i grawitacji.

Jeśli chcesz zobrazować dowolny obiekt we Wszechświecie, musisz spełnić następujące dwa wyzwania:

  1. Musisz zebrać wystarczającą ilość światła, aby zobaczyć swój cel, i odsłonić jego szczegóły na tle hałasu zarówno twoich instrumentów, jak i innych obiektów w pobliżu obiektu będącego przedmiotem zainteresowania.
  2. Potrzebujesz wystarczającej rozdzielczości (lub mocy rozdzielczej), aby odsłonić strukturę obiektu, na który patrzysz, w przeciwnym razie wszystkie twoje dane będą ograniczone do jednego piksela.

Jeśli chcesz zobrazować horyzont zdarzeń czarnej dziury, musisz zarówno zebrać wystarczającą ilość światła, aby promieniowanie wokół czarnej dziury wyróżniało się na tle reszty środowiska, jak i zbadać skale kątowe, które są węższe niż średnica zdarzenia sam horyzont.

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, ale spodziewany jest za kilka dni w 2019 r. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Jedyny sposób, w jaki możemy to zrobić, to ogromny, ultraczuły zestaw radioteleskopów, które obserwują największe czarne dziury pod względem wielkości kątowej, które są widoczne z Ziemi. Im większa jest Twoja czarna dziura, tym większa będzie średnica jej horyzontu zdarzeń, ale będzie ona wydawać się mniejsza w zależności od odległości. Oznacza to, że największą czarną dziurą będzie Strzelec A *, supermasywny w centrum Drogi Mlecznej, a drugą co do wielkości będzie ultramasywną w centrum galaktyki M87, około 60 milionów lat świetlnych stąd.

Chociaż jednokomorowe radioteleskopy mogą być w stanie wykryć emisje z jednego z nich - tj. Mają wystarczającą moc gromadzenia światła - nie są w stanie rozwiązać horyzontu zdarzeń. Ale szereg teleskopów, wszystkie razem obserwujące cel, mogą nas tam zabrać.

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

Czarne dziury powinny być otoczone przez materię, która jest powoli powożona. Materiał ten będzie rozsypany na zewnątrz czarnej dziury, obracając się wokół, ogrzewając się i emitując promieniowanie w miarę opadania. Promieniowanie to powinno wchodzić w radiową część widma i być obserwowalne w wystarczająco czułym układzie teleskopów.

Event Horizon Telescope (EHT) to dokładnie taki zestaw radiowy, jakiego potrzebujemy - z najbardziej oszałamiającymi postępami wynikającymi z włączenia ALMA w Ameryce Południowej - nie tylko w celu zebrania informacji radiowych, ale w celu uzyskania tej nadmiernej rozdzielczości. EHT składa się z dziesiątek pojedynczych naczyń o wystarczającej mocy zbierania światła, aby ujawnić promieniowanie otaczające czarną dziurę, przy czym odległości między naczyniami zapewniają rozdzielczość niezbędną do zobrazowania samych horyzontów 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. Dodanie ALMA do Event Horizon Telescope umożliwia konstruowanie obrazu horyzontu zdarzeń. (ESO / C. MALIN)

Wcześniej stosowaliśmy tę technikę, interferometrię o długiej linii bazowej, aby ujawnić szczegóły, które byłyby niewidoczne nawet dla ogromnego teleskopu z pojedynczą anteną. Tak długo, jak funkcje, które próbujesz zaobserwować, są wystarczająco jasne i pojawiają się w teleskopach, których używasz do jednoczesnych obserwacji, możesz osiągnąć rozdzielczości obrazowania, które odpowiadają odległości między teleskopami, a nie średnicy poszczególne teleskopy.

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)

Najbardziej spektakularne, jak dotąd, tablice teleskopowe były wykorzystywane do obrazowania wybuchających wulkanów na powierzchni księżyca Jowisza Io, nawet w momencie, gdy Io wpada w cień innego księżyca Jowisza.

EHT wykorzystuje tę samą koncepcję do badania promieniowania pochodzącego z czarnych dziur o największych średnicach kątowych widzianych z Ziemi. Oto sześć rzeczy, których powinniśmy się nauczyć, kiedy pojawią się pierwsze zdjęcia.

Symulowana tutaj czarna dziura w centrum naszej Drogi Mlecznej jest największą widzianą z perspektywy Ziemi. Event Horizon Telescope powinien, 10 kwietnia 2019 r., Przedstawić swój pierwszy obraz tego, jak wygląda horyzont zdarzeń tej centralnej czarnej dziury, podczas gdy ta w centrum M87, drugiej co do wielkości, może być również widoczna dzięki tej technologii . Biały okrąg reprezentuje promień Schwarzschilda czarnej dziury, podczas gdy ciemny obszar powinien być pozbawiony emisji ze względu na niestabilność otaczających go orbit. (UTE KRAUS, GRUPA EDUKACJI FIZYCZNEJ KRAUS, UNIVERSITĘT HILDESHEIM; TŁO: AXEL MELLINGER)

1.) Czy czarne dziury mają odpowiednie rozmiary, które przewiduje ogólna teoria względności? Zgodnie z teorią Einsteina, w oparciu o zmierzoną masę grawitacyjną czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, sam horyzont zdarzeń powinien mieć średnicę 11 mikronów sekund (μas), ale emisje nie powinny pochodzić z odległości 37 μas , ze względu na fakt, że w obrębie tej średnicy kątowej materia powinna szybko zwinąć się w kierunku osobliwości. Przy rozdzielczości 15 μas EHT powinien widzieć horyzont i mierzyć, czy rozmiar odpowiada naszym przewidywaniom, czy nie. To będzie wspaniały test ogólnej teorii względności.

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))

2.) Czy dyski akrecyjne są wyrównane z czarną dziurą, galaktyką-gospodarzem, czy losowo? Nigdy wcześniej nie obserwowaliśmy dysku akrecyjnego, a tak naprawdę jedyne prawdziwe wskazanie dotyczące orientacji materii otaczającej czarne dziury pochodzi z przypadków, w których:

  • jest emitowany strumień, który możemy wykryć z czarnej dziury,
  • lub wydłuża się emisja z otaczającego regionu.

Ale żadna z tych obserwacji nie zastąpi bezpośredniego pomiaru. EHT, kiedy pojawią się te pierwsze obrazy, powinien być w stanie powiedzieć nam, czy dysk akrecyjny jest skierowany do krawędzi, do przodu, czy w jakiejkolwiek innej orientacji.

Niektóre z możliwych sygnałów profilu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, jak wskazują symulacje teleskopu Horizon zdarzeń, wskazują. (NAUKA O WYSOKIEJ KĄCIE I WYSOKIEJ WRAŻLIWOŚCI WŁĄCZONA PRZEZ ALMA BEAMFORMED, V. FISH I AL., ARXIV: 1309.3519)

3.) Czy horyzont zdarzeń czarnej dziury jest kołowy, zgodnie z przewidywaniami, czy też przyjmuje inny kształt? Chociaż oczekuje się, że wszystkie fizycznie realistyczne czarne dziury będą się w pewnym stopniu obracać, przewiduje się, że kształt horyzontu zdarzeń będzie nie do odróżnienia od kształtu idealnej kuli.

Ale możliwe są inne kształty. Niektóre obiekty wybrzuszają się wzdłuż równików, gdy się obracają, tworząc kształt zwany kulistym sferą, na przykład planeta Ziemia. Inne pełzają wzdłuż ich osi obrotu, tworząc piłkarski kształt zwany sferoidą. Jeśli ogólna teoria względności jest prawidłowa, to sfera jest tym, czego się spodziewamy, ale nic nie zastąpi samodzielnego dokonywania krytycznych obserwacji. Kiedy zdjęcia pojawią się 10 kwietnia, powinniśmy uzyskać nasze odpowiedzi.

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, ale także na to, jak mogą wyglądać inaczej w różnych szczegółach w zależności od turbulencji, natężenia pola magnetycznego itp. (SYMULACJE GRMHD WIDOCZNOŚCI ZMIENNOŚĆ WZMOCNIENIA DLA ZDARZEŃ POZIOMYCH TELESKOPOWYCH ZDJĘĆ SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

4.) Dlaczego czarne dziury wybuchają? Gdy czarna dziura jest w stanie nierozgałęzionym, wokół horyzontu zdarzenia pojawią się określone sygnatury, które, jak się spodziewamy, pojawią się. Ale potem, gdy czarna dziura wybuchnie, istnieją różne cechy, które wykaże otaczające ją promieniowanie.

Ale jak będą wyglądać te emisje? Czy na dysku będą pojawiać się burzliwe funkcje? Czy pojawią się „gorące punkty”, zgodnie z przewidywaniami, które są najbardziej widoczne w stanie płomienistym? Jeśli będziemy mieli szczęście i zobaczymy którykolwiek z tych podpisów, możemy być na dobrej drodze, aby dowiedzieć się, dlaczego czarne dziury wybuchają, po prostu obserwując otaczające je emisje radiowe. Na podstawie tych obserwacji powinniśmy również dowiedzieć się dodatkowych informacji o sile pól magnetycznych otaczających te czarne dziury.

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, nie tylko otrzymamy obraz, ale dowiemy się, czy emisje promieniowania rentgenowskiego dają nam dokładne szacunki masy czarnych dziur, czy nie. (TELESKOP GÓRNY, OPTYCZNY, HUBBLE SPACE / NASA / WIKISKY; DOLNY LEWY, RADIO, NRAO / BARDZO DUŻY ARRAY (VLA); DOLNY PRAWY, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESKOP)

5.) Czy szacunki rentgenowskie masy czarnej dziury są tendencyjne w kierunku niższych wartości? Istnieją obecnie dwa sposoby wnioskowania o masie czarnej dziury: na podstawie pomiaru jej grawitacji na gwiazdach (i innych obiektach), które ją okrążają, oraz na podstawie emisji (rentgenowskich) gazu, który ją okrąża. Możemy z łatwością wykonać pomiary oparte na gazie dla większości czarnych dziur, w tym tej w centrum Drogi Mlecznej, która daje nam masę około 2,5–2,7 miliona mas Słońca.

Jednak pomiar grawitacyjny jest znacznie bardziej bezpośredni, mimo że stanowi większe wyzwanie obserwacyjne. Mimo to zrobiliśmy to w naszej własnej galaktyce i wywnioskowaliśmy masę około 4 milionów mas Słońca: o około 50% wyższą niż wskazuje obserwacja rentgenowska. W pełni oczekujemy, że będzie to wielkość mierzonego horyzontu zdarzeń. Jeśli pomiary M87 wykazują wyższą wartość niż wskazuje promieniowanie rentgenowskie, moglibyśmy dowiedzieć się, że szacunki rentgenowskie są systematycznie niskie, pokazując nam, że w grę wchodzi nowa astrofizyka (ale nie nowa podstawowa fizyka).

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 Teleskop Horyzontu Zdarzeń, ale z czasem może wykryć jego ruch. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

6.) Czy widzimy, jak czarna dziura „drży” w czasie, jak przewidywano? Ta może nie wyjść od razu, zwłaszcza jeśli z tych wstępnych obserwacji otrzymamy tylko jeden obraz jednej lub dwóch czarnych dziur. Ale jednym z celów naukowych EHT jest obserwowanie ewolucji czarnych dziur w czasie, co oznacza, że ​​planują zrobić wiele zdjęć w różnych momentach i zrekonstruować film o tych czarnych dziurach.

Ze względu na obecność gwiazd i innych mas pozorna pozycja czarnej dziury zmienia się znacznie w czasie, gdy grawitacyjnie się popycha. Chociaż obserwowanie ruchu czarnej dziury w znacznym stopniu zajmie lata, mamy dane, które zostały zebrane przez długi czas. W centrach galaktyk czarne dziury obrazowane przez EHT mogą zacząć wykazywać oznaki tego drgania: kosmiczny odpowiednik ruchu Browna.

Supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki, Strzelec A *, rozjaśnia się jasno promieniami rentgenowskimi, gdy tylko pochłonie materię. Na innych długościach fali światła, od podczerwieni do radia, możemy zobaczyć pojedyncze gwiazdy w tej najbardziej wewnętrznej części galaktyki. (X-RAY: NASA / UMASS / D.WANG ET AL., IR: NASA / STSCI)

Krytyczne spostrzeżenia dotyczące stworzenia pierwszego zdjęcia czarnej dziury, zakładając, że EHT publikuje jedną z czarnych dziur w centrum Drogi Mlecznej, zostały cofnięte w 2017 roku: dwa pełne lata temu. Tak długo trwało analizowanie, czyszczenie, wycinanie, dostosowywanie i synteza pełnego zestawu danych, co odpowiada około 27 petabajtom dla krytycznej obserwacji. (Chociaż tylko około 15% tych danych jest odpowiednie i przydatne do budowy obrazu).

O 9 rano czasu wschodniego (6 rano czasu pacyficznego) 10 kwietnia współpraca EHT odbędzie konferencję prasową, na której spodziewane jest opublikowanie pierwszego obrazu horyzontu wydarzeń, i możliwe jest, że wielu - a może nawet wszyscy - na te pytania zostaną udzielone odpowiedzi. Bez względu na wyniki, jest to monumentalny krok naprzód dla fizyki i astrofizyki i zapoczątkowuje nową erę nauki: bezpośrednie testy i obrazy samego horyzontu zdarzeń czarnej dziury!

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.