Черната дупка в центъра на нашия Млечен път, симулирана тук, е най-голямата, наблюдавана от гледна точка на Земята. Тази година телескопът Event Horizon трябва да излезе с първото си изображение как изглежда хоризонтът на събитията в тази централна черна дупка. Белият кръг представлява радиусът на Шварцшилд на черната дупка. (UTE KRAUS, ФИЗИЧЕСКА ОБРАЗОВАТЕЛНА ГРУПА КРАУС, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; ПРЕДСТАВИТЕЛ: AXEL MELLINGER)

Научният пробив на годината през 2019 г. ще ни покаже хоризонт на събитията в черна дупка

Това ще бъде най-екстремното изпитание за общата относителност на Айнщайн някога. И вече имаме данните.

С всяка изминала година общият обем от знания, които човечеството натрупва, само расте и расте. В началото на 2015 г. човечеството никога не е засичало гравитационна вълна; в момента открихме 11 и напълно очакваме да открием може би още стотици през 2019 г. В началото на 90-те години не знаехме дали има планети извън нашата собствена Слънчева система; днес имаме хиляди, някои от които са почти достатъчно добри, за да се считат за подобни на Земята.

Открихме всички частици в Стандартния модел; открихме, че Вселената не само се разширява, но се ускорява; установихме колко галактики са във Вселената. Но догодина ще се случи нещо ново и безпрецедентно: ще за първи път представим хоризонта на събитията в черна дупка. Данните вече са в ръка; останалото е само въпрос на време.

Черните дупки са сравнително лесни обекти за откриване, след като разберете какво търсите. Може да изглежда контраинтуитивно, защото те не излъчват никаква своя светлина, но те имат три сигурни подписа, които ни позволяват да знаем, че са там.

  1. Черните дупки създават огромно количество гравитация - изкривяване / изкривяване на пространството - в много малък обем пространство. Ако можем да наблюдаваме гравитационните ефекти на голяма компактна маса, можем да заключим за наличието на черна дупка и потенциално да измерим нейната маса.
  2. Черните дупки силно влияят на околната среда, която ги заобикаля. Всяка материя наблизо не само ще изпита силни приливни сили, но ще ускори и загрее, предизвиквайки излъчване отвън извън хоризонта на събитията. Когато открием това излъчване, можем да реконструираме свойствата на захранващия го обект, което често може да се обясни само с черна дупка.
  3. Черните дупки могат да се вдъхновят и да се слеят, което ги кара да излъчват откриваеми гравитационни вълни за кратко време. Това е възможно да се установи само с новата наука за гравитационната вълнова астрономия.
Най-отдалечената рентгенова струя във Вселената, от квазар GB 1428, е приблизително на същото разстояние и възраст, гледани от Земята, както квазар S5 0014 + 81, в който се намира най-голямата известна черна дупка във Вселената. Смята се, че тези отдалечени бехемоти се активират от сливания или други гравитационни взаимодействия, но шансовете за разрешаване са само черните дупки с най-големите съотношения между маса и разстояние. (X-RAY: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; ОПТИЧНО: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Телескопът на Event Horizon има за цел да отиде една стъпка по-далеч от всеки от тези методи. Вместо да правим измервания, които ни позволяват да извеждаме свойствата на черна дупка косвено, тя отива направо в сърцето на въпроса и планира директно да изобрази хоризонта на събитията на черната дупка.

Методът за това е прост и лесен, но не беше възможен от технологична гледна точка до съвсем скоро. Причината е комбинация от два важни фактора, които обикновено вървят ръка за ръка в астрономията: разделителна способност и събиране на светлина.

Тъй като черните дупки са толкова компактни обекти, трябва да преминем към изключително висока резолюция. Но тъй като търсим не самата светлина, а липсата на светлина, трябва да събираме изключително много светлина изключително внимателно, за да определим къде наистина се намира сянката на хоризонта на събитията.

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. („КЪМ ХОРИЗОНА НА СЪБИТИЯТА - СУПЕРМАСИВНИЯ ЧЕРЕН ХОЛ В ГАЛАКТИЧЕСКИ ЦЕНТЪР“, КЛАС. КВАНТУМ ГРАВ., FALCKE & MARKOFF (2013))

Обикновено телескоп с по-добра разделителна способност и телескоп с по-добра мощност за събиране на светлина трябва да бъде един и същ телескоп. Разделителната способност на вашия телескоп се определя от броя на дължината на вълната на светлината, която се побира в чинията на вашия телескоп, така че по-големите телескопи имат по-висока разделителна способност.

По същия начин количеството светлина, което можете да съберете, се определя от площта на вашия телескоп. Всички фотони, които удрят телескопа, ще бъдат събрани, така че колкото по-голяма е площта на вашия телескоп, толкова повече сила за събиране на светлина имате.

Причината технологията да е ограничаващ фактор е резолюцията. Размерът, който изглежда черна дупка, е пропорционален на нейната маса, но обратно пропорционален на нейното разстояние от нас. За да видите най-голямата черна дупка от нашата гледна точка - Стрелец А *, тази в центъра на Млечния път - изисква телескоп приблизително с размерите на планетата Земя.

В близост до свръхмасивната черна дупка в ядрото на Млечния път бяха открити голям брой звезди. В допълнение към тези звезди и газа и праха, които откриваме, предвиждаме да има над 10 000 черни дупки само за няколко светлинни години от Стрелец А *, но откриването им се оказа неуловимо до по-рано през 2018 г. Решаване на централната черна дупка е задача, до която може да се издигне само телескопът на хоризонта на събитията. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

Очевидно нямаме ресурсите, способни да изграждат такова устройство! Но имаме следващото най-добро нещо: способността да се изгради масив от телескопи. Когато разполагате с масив телескопи, получавате само мощността за събиране на светлина от отделните телескопи, обобщени заедно. Но разделителната способност, ако е направена правилно, ще ви позволи да виждате обекти толкова фини, колкото разстоянието между най-отдалечените телескопи.

С други думи, събирането на светлината е наистина ограничено от размера на телескопа. Но разделителната способност, ако използваме техниката на интерферометрията с дълги основни стойности (или нейния братовчед, много дългосрочна интерферометрия), може да бъде значително подобрена чрез използване на масив от телескопи с голямо количество пространство между тях.

Преглед на различните телескопи, допринасящи за възможностите за изобразяване на телескопа на хоризонта на събитието от едно от земните полукълба. Данните, взети от 2011 до 2017 г., трябва да ни дадат възможност да изградим изображение на Стрелец А *, а вероятно и на черната дупка в центъра на М87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

Телескопът Event Horizon представлява мрежа от 15–20 телескопа, разположени на много различни континенти на Земята, от Южния полюс до Европа, Южна Америка, Африка, Северна Америка, Австралия и редица острови в Тихия океан. Всичко казано, до 12 000 километра разделят най-отдалечените телескопи, които са част от масива.

Това се превръща в разделителна способност, която е толкова малка, колкото 15 микроарксекунди (μas), което е колко малка муха би ни се появила тук, на Земята, ако беше разположена на 400 000 километра разстояние: на Луната.

Втората по големина черна дупка, каквато се вижда от Земята, тази в центъра на галактика M87, е показана на три изгледа тук. Въпреки масата си от 6,6 милиарда слънца, той е над 2000 пъти по-далеч от Стрелец А *. Той може или не може да бъде разрешим от EHT, но ако Вселената е любезна, в края на краищата ще получим изображение. (ТОП-ОПТИЧЕСКИ, HUBBLE SPACE TELESCOPE / НАСА / WIKISKY; НИВО ЛЯВО, РАДИО, НРАО / МНОГО ГОЛЯМО СЪСТОЯНИЕ (VLA); НИВО НАДЯСНО, X-RAY, НАСА / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

На Луната, разбира се, може да няма мухи, но във Вселената има черни дупки с ъглови размери, които са по-големи от 15 µas. Всъщност има две от тях: Стрелец А * в центъра на Млечния път и Черната дупка в центъра на М87. Черната дупка в центъра на M87 се намира на около 50–60 милиона светлинни години, но идва на над 6 милиарда слънчеви маси, което я прави над 1000 пъти по-голяма от гигантската черна дупка на нашата галактика.

Телескопът Event Horizon работи, като взема този огромен масив от радиотелескопи и наблюдава тези черни дупки едновременно, което ни дава възможност да реконструираме изображение с ултра висока резолюция на каквото и да гледаме, стига да има достатъчно светлина, събрана, за да го видим , Тази концепция е демонстрирана преди с различни обсерватории, като Големия бинокуларен телескоп, който успя да изобрази изригващи вулкани на Луната на Юпитер, Йо, докато се затъмни от друга луна на Юпитер!

Окултурата на луната на Юпитер, Йо, с изригващите вулкани Локи и Пеле, както е окупирана от Европа, което е невидимо в този инфрачервен образ. GMT ще осигури значително подобрена разделителна способност и изображения. (LBTO)

Ключът да накараме телескопа на Event Horizon да работи, е да се уверим, че събираме достатъчно светлина, за да видим сянката, хвърлена от хоризонта на събитията на черната дупка, като същевременно успешно представяме светлината, идваща от и зад нея. Не забравяйте, че черните дупки ускоряват материята, а ускорението на заредените частици създава магнитни полета и - ако заредените частици се ускоряват в присъствието на магнитни полета - излъчването на радиация.

Най-сигурният залог е да погледнете в радио частта на спектъра, която е частта с най-ниска енергия. Очаква се всички черни дупки, които ускоряват материята, да излъчват радиовълни и ние сме ги виждали както от центъра на Млечния път, така и от центъра на M87. Разликата е, че при тези нови, високи резолюции трябва да можем да забележим „празнотата“ там, където лежи самият хоризонт на събитията.

Големият милиметър / субмилиметров масив Atacama, сниман с магелановите облаци отгоре. Голям брой ястия в близост, като част от ALMA, помага да се създадат много от най-детайлните изображения в райони, докато по-малък брой по-далечни ястия помагат да се намерят подробности в най-светлите места. (ESO / C. MALIN)

Технологичната революция, която трябва да позволи изграждането на тези изображения, е ALMA *: масивът Atacama с голям милиметър / субмилиметър. Невероятна мрежа от 66 радиотелескопа, всички от които са огромни (вижте по-горе), измерва тази светлина с дължина на вълната, за да разкрие астрономически подробности, както никога досега. Вече ALMA ни показа изображения на прашните дискове около новообразуващите се звезди, като вътре в тях се образуват данни за детските планети (като пръстеновидни пропуски в диска). ALMA може да изобразява ултрадалечни галактики по превъзходен начин спрямо това, което дори Хъбъл може да разкрие, и е намерил молекулярни газови подписи и вътрешни ротации.

Но може би най-големият му научен дар ще бъде цялата информация, която събира от светлината, заобикаляща тези супермасивни черни дупки. Записването на достатъчно (и правилните видове) данни, достатъчно бързо и след това обединяването им с достатъчно изчислителна сила, за да ги анализира, е само сега, за първи път, възможно.

Два от възможните модели, които успешно могат да се поберат досега на данните от телескопа на хоризонта на събитията, както по-рано през 2018 г. И двата показват извънсистемен, асиметричен хоризонт на събитията, който е уголемен спрямо радиуса на Шварцшилд, в съответствие с прогнозите на общата относителност на Айнщайн. Цялостно изображение все още не е публикувано за широката публика. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

И така, какво ще донесе 2019 г., когато всички 27 петабайта данни (от всички различни обсерватории, гледащи тези черни дупки), след като бъдат събрани, бъдат напълно анализирани? Ще се появи ли хоризонтът на събитията, както прогнозира Общата относителност? 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 разширяват по-далеч, отколкото сме мислили,
  • или дали има други отклонения от очакваното поведение.
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. (GRMHD SIMULATIONS OF VISIBILITY AMPLITUDE VARIABILITY FOR SENT HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

Въпреки че екипът на телескопа за хоризонтални събития е открил структура около черната дупка в центъра на нашата галактика, все още нямаме директно изображение. Това изисква разбиране на нашата атмосфера и промените, настъпващи в нея, комбиниране на данните и писане на нови алгоритми за съвместното им обработване. Работата е в ход, но първата половина на 2019 г. е, когато трябва да пристигнат окончателните, първите изображения. Някои от нас се надяваха на изображенията тази или дори миналата година, но най-важно е да отделим време и грижа, за да я оправим.

Когато тези изображения най-накрая пристигнат, вече няма да има съмнение дали съществуват черни дупки и дали съществуват със свойствата, които прогнозира най-голямата теория на Айнщайн. 2019 г. ще бъде годината на хоризонта на събитията и за първи път в цялата история най-накрая ще разберем окончателно как изглеждат.

* - Пълно разкритие: авторът ще води турне с ограничено пространство до Чили, което включва посещение на ALMA, масива от телескопи, който помага за събирането на данните за това изображение през ноември 2019 г. (Пространства все още са налични.) Той не получи външна компенсация за това парче.

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“.