Черната дупка, както е илюстрирано във филма Interstellar, показва хоризонт на събитията сравнително точно за много специфичен клас въртящи се черни дупки. Кредит за изображение: Interstellar / R. Hurt / Caltech.

2018 ще бъде годината човечеството директно „вижда“ първата ни черна дупка

Телескопът Event Horizon влезе в интернет и взе своите данни. Сега чакаме резултатите.

Черните дупки са едни от най-невероятните обекти във Вселената. Има места, където толкова много маса се е събрала в толкова малък обем, че отделните частици от материята не могат да останат такива, каквито обикновено са, и вместо това се сриват до една особеност. Заобикалящата тази сингулярност е сфероподобна област, известна като хоризонт на събитията, отвътре нищо не може да избяга, дори ако се движи с максималната скорост на Вселената: скоростта на светлината. Макар да знаем три отделни начина за формиране на черни дупки и открихме доказателства за хиляди от тях, ние никога не сме си представяли нито един. Въпреки всичко, което открихме, никога не сме виждали хоризонта на събитията в черна дупка или дори потвърждавахме, че те наистина имат такава. През следващата година всичко това ще се промени, тъй като ще бъдат разкрити първите резултати от телескопа на хоризонта на събитията, който ще отговори на един от най-дълго стоящите въпроси в астрофизиката.

Местоположенията на радиоактивни ястия, които се планират, са част от масива на телескопа на хоризонта на събитията. Кредит за изображение: Телескоп за хоризонт на събитията / Университет в Аризона.

Идеята за черна дупка не е нищо ново, тъй като учените от векове осъзнават, че когато събирате повече маса в даден обем, трябва да се движите с по-бързи и по-бързи скорости, за да избягате от гравитационния кладенец, който създава. Тъй като има максимална скорост, с която всеки сигнал може да пътува - скоростта на светлината - ще стигнете до точка, в която всичко от този регион е в капан. Материята вътре ще се опита да се подкрепи срещу гравитационния срив, но всички частици, носещи сила, които се опитва да излъчи, се огъват към централната сингулярност; няма начин да се упражнява навън. В резултат на това една неизменност е неизбежна, заобиколена от хоризонт на събитията. Всичко, което попада в хоризонта на събитията? Също в капан; отвътре на хоризонта на събитията всички пътеки водят към централната сингулярност.

Илюстрация на активна черна дупка, която натрупва материя и ускорява част от нея навън с две перпендикулярни струи, може да опише в много отношения черната дупка в центъра на нашата галактика. Кредит за изображение: Марк А. Гарлик.

На практика има три механизма, за които знаем, че създават реални, астрофизични черни дупки.

  1. Когато достатъчно масивна звезда изгори през горивото си и попадне в свръхнова, централното ядро ​​може да имплодира, превръщайки съществен фрагмент от звездата преди свръхновата в черна дупка.
  2. Когато две неутронни звезди се сливат, ако тяхната комбинирана маса след сливане е повече от около 2,5 до 2,75 слънчеви маси, това ще доведе до образуването на черна дупка.
  3. И ако или масивна звезда, или облак газ могат да претърпят директен срив, тя също ще създаде черна дупка, където 100% от първоначалната маса отива в крайната черна дупка.
Художественото произведение, илюстриращо обикновен черен кръг, може би с пръстен около него, е прекалено опростена картина как изглежда хоризонтът на събитията. Кредит за изображение: Виктор де Шванберг.

С течение на времето черните дупки могат да продължат да поглъщат материята, нараствайки както по маса, така и по размер. Ако удвоите масата на вашата черна дупка, нейният радиус също се удвоява. Ако го увеличите десетократно, радиусът също се увеличава с коефициент десет. Това означава, че с увеличаването на масата - докато черната ви дупка расте - хоризонтът на събитията става все по-голям и по-голям. Тъй като нищо не може да се измъкне от него, хоризонтът на събитията трябва да изглежда като черна „дупка“ в пространството, блокираща светлината от всички обекти зад него, усложнена от гравитационното огъване на светлината поради предсказанията на общата относителност. Всичко казано, ние очакваме, че хоризонтът на събитията ще се появи от наша гледна точка, 250% по-голям, отколкото биха предполагали масовите прогнози.

Черната дупка не е просто маса, наслагвана върху изолиран фон, но ще прояви гравитационни ефекти, които разтягат, увеличават и изкривяват светлината на фона благодарение на гравитационното лещиране. Кредит за изображение: Уте Краус, Група по физическо възпитание Краус, Университет Хилдесхайм; Аксел Мелингер (фон).

Като вземем предвид всичко това, можем да разгледаме всички известни черни дупки, включително техните маси и колко далеч са те, и да изчислим коя от тях трябва да изглежда най-голямата от Земята. Победителят? Стрелец A *, черната дупка в центъра на нашата галактика. Комбинираните му свойства да бъде „само” на 27 000 светлинни години, докато все още достига невероятно голяма маса, която е 4 000 000 пъти по-голяма от тази на Слънцето, я прави №1. Интересното е, че черната дупка, която удря №2, е централната черна дупка на M87: най-голямата галактика в клъстера Дева. Въпреки че е над 6 милиарда слънчеви маси, той е на разстояние от около 50–60 милиона светлинни години. Ако искате да видите хоризонт на събитията, нашият собствен галактически център е мястото за разглеждане.

Някои от възможните профилни сигнали на хоризонта на събитията на черната дупка като симулации на телескопа на хоризонта на събитията показват. Кредит за изображение: Висока ъглова разделителна способност и висока чувствителност наука, активирана от Beamformed ALMA, V. Fish et al., ArXiv: 1309.3519.

Ако имате телескоп с размерите на Земята и нищо между нас и черната дупка, която да блокира светлината, ще можете да я видите, няма проблем. Някои дължини на вълната са сравнително прозрачни за намесващата се галактическа материя, така че ако погледнете светлината с дължина на вълната, като радиовълни, бихте могли потенциално да видите самия хоризонт на събитията. Сега ние нямаме телескоп с размерите на Земята, но имаме масив от радиотелескопи по цялото земно кълбо и техниките за комбиниране на тези данни за получаване на единично изображение. Телескопът Event Horizon съчетава най-доброто от нашата съвременна технология и трябва да ни даде възможност да видим първата си черна дупка.

Преглед на различните телескопи, допринасящи за възможностите за изобразяване на телескопа на хоризонта на събитието от едно от земните полукълба. Данните бяха взети през април, които трябва да позволят откриването (или неоткриването) на хоризонт на събитията около Стрелец А * в рамките на следващата година. Кредит за изображения: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. Малин.

Вместо единичен телескоп 15 -20 радио телескопи се излъчват по целия свят, като едновременно наблюдават една и съща цел. С до 12 000 километра, разделящи най-отдалечените телескопи, могат да бъдат разрешени обекти с размери до 15 микроарксекунди (μas): размерът на муха на Луната. Като се има предвид масата и разстоянието на Стрелец А *, очакваме да изглежда повече от два пъти по-голяма от тази цифра: 37 мк. На радиочестотите трябва да виждаме много заредени частици, ускорени от черната дупка, но трябва да има „празнота“, където лежи самият хоризонт на събитията. Ако можем да комбинираме правилно данните, трябва да можем да изградим картина на черна дупка за първи път.

Пет различни симулации в обща относителност, използващи магнитохидродинамичен модел на акредиращия диск на черната дупка и как ще изглежда радиосигналът в резултат. Отбележете ясния подпис на хоризонта на събитията във всички очаквани резултати. Кредит на изображението: GRMHD симулации на амплитудата на видимостта на променливостта за изображения на телескопа на хоризонта на събитията на Sgr A *, L. Medeiros et al.

Телескопите, състоящи се от телескопа Event Horizon, направиха първия си изстрел при наблюдение на Стрелец А * едновременно миналата година. Данните са събрани и в момента се подготвят и анализират. Ако всичко работи както е проектирано, ще имаме първото си изображение през 2018 г. Ще се появи ли, както прогнозира General Relativity? Има няколко невероятни неща за тестване:

  • дали черната дупка има правилния размер, както е предвидено от общата относителност,
  • дали хоризонтът на събитията е кръгъл (както е предвидено), или вместо това е променен или променен,
  • дали радиационните емисии се простират по-далеч, отколкото сме мислили, или
  • дали има други отклонения от очакваното поведение.
Ориентацията на диска за нагъване като лицев (ляв два панела) или ръбов (десен два панела) може до голяма степен да промени начина, по който черната дупка се появява пред нас. Кредит за изображение: „Към хоризонта на събитията - свръхмасивната черна дупка в Галактическия център“, клас. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013).

Каквото и да правим (или не) да открием, ние сме готови да направим невероятен пробив, просто като конструираме първото си в историята изображение на черна дупка. Вече няма да се налага да разчитаме на симулации или концепции на художника; ще имаме първата си действителна, базирана на данни снимка, с която да работим. Ако е успешен, той проправя пътя за още по-дълги изходни проучвания; с масив от радиотелескопи в космоса можем да разширим обхвата си от една черна дупка до много стотици от тях. Ако 2016 г. беше годината на гравитационната вълна, а 2017 г. беше годината на сливането на неутронната звезда, то 2018 г. се определя като годината на хоризонта на събитията. За всеки почитател на астрофизиката, черните дупки и общата относителност, ние живеем в златния век. Това, което някога се смяташе за „неустойчиво“, изведнъж стана истинско.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги: „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звезден път от трикрилите до Warp Drive“.