Най-визуализираната черна дупка от всички, както е илюстрирано във филма Interstellar, показва прогнозиран хоризонт на събитията сравнително точно за много специфичен клас въртящи се черни дупки. Дълбоко в гравитационния кладенец времето минава с различна скорост за наблюдателите, отколкото при нас далеч извън него. Очаква се телескопът Event Horizon да разкрие емисиите около хоризонта на събитията в черна дупка за първи път. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

6 супермасивни въпроса в навечерието на голямото съобщение на телескопа на хоризонта на събитието

Как трябва да изглежда черна дупка? Нашите теоретични прогнози са на път да отговорят на първите ни наблюдения.

В науката няма момент по-вълнуващ, отколкото когато се сблъскате с дългогодишно теоретично прогнозиране с първите наблюдения или експериментални резултати. В началото на това десетилетие Големият адронен сблъсък разкри съществуването на бозона на Хигс, последната неоткрита фундаментална частица в Стандартния модел. Преди няколко години сътрудничеството LIGO директно открива гравитационни вълни, потвърждавайки дългогодишното предсказване на общата относителност на Айнщайн.

И само за няколко дни, на 10 април 2019 г., телескопът Event Horizon ще направи многоочаквано съобщение, където се очаква да пусне първото по рода си изображение на хоризонта на събитията в черна дупка. В началото на 2010 г. подобно наблюдение би било технологично невъзможно. И все пак не само предстои да видим как изглежда всъщност черната дупка, но предстои да тестваме и някои основни свойства на пространството, времето и гравитацията.

Ако искате да изобразите всеки обект във Вселената, трябва да се справите със следните две предизвикателства:

  1. Трябва да съберете достатъчно светлина, за да видите целта си и да разкриете нейните детайли на фона на шума както на вашите инструменти, така и на другите обекти в близост до вашия обект на интерес.
  2. Имате нужда от достатъчна разделителна способност (или разделителна способност), за да разкриете структурата на обекта, който гледате, в противен случай всичките ви данни ще бъдат ограничени до един прост пиксел.

Така че, ако искате да изобразите хоризонта на събитията на черната дупка, трябва и двете да съберете достатъчно светлина, че радиацията около черната дупка да се откроява спрямо останалата част от околната среда, а също и да сондирате ъглови скали, които са по-тесни от диаметъра на събитието самия хоризонт.

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. Пълното изображение все още не е публикувано за широката публика, но се очаква само след няколко дни през 2019 г. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Единственият начин да направим и двете е с огромен, свръхчувствителен масив от радиотелескопи, които наблюдават най-големите черни дупки по отношение на ъглови размери, които се виждат от Земята. Колкото по-масивна е вашата черна дупка, толкова по-голям ще бъде диаметърът на нейния хоризонт на събитията, но тя ще изглежда по-малка в зависимост от нейното разстояние. Това означава, че най-голямата черна дупка ще бъде Стрелец А *, свръхмасивният в центъра на Млечния път, докато втората по големина ще бъде ултрамасивната в центъра на галактика М87, на около 60 милиона светлинни години.

Докато радиотелескопите с една чиния може да могат да открият емисиите или от един - т.е. те имат достатъчна мощност за събиране на светлина - те не могат да разрешат хоризонта на събитията. Но масив от телескопи, всички наблюдаващи целта заедно, могат да ни доведат до там.

Преглед на различните телескопи, от едно от полукълбите на Земята, допринасящи за възможностите за изобразяване на телескопа на хоризонта на събитията. Данните, взети от 2011 до 2017 г. (особено през 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)

Черните дупки трябва да бъдат заобиколени от материя, която е в бавния процес на поглъщане. Този материал ще бъде разпръснат за външните страни на черната дупка, ще се върти наоколо, нагрява и излъчва радиация, докато пада. Това лъчение трябва да идва в радио частта на спектъра и да бъде наблюдавано в достатъчно чувствителен телескоп.

Телескопът за събитие Horizon (EHT) е точно радиусът, от който се нуждаем - с най-зашеметяващия напредък, идващ от включването на ALMA в Южна Америка - не само да съберем радио информация, но и да получим тази прекомерна резолюция. EHT се състои от множество индивидуални ястия с достатъчно комбинирана мощност за събиране на светлина, за да разкрие радиацията около черната дупка, като разстоянията между чиниите осигуряват разделителната способност, необходима за представяне на въпросните хоризонти 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. Добавянето на ALMA към телескопа Event Horizon е това, което прави възможно изграждането на изображение на хоризонта на събитията. (ESO / C. MALIN)

Използвахме тази техника и преди, за интерферометрия с дълги основни нива, за да разкрием подробности, които биха били невидими дори с огромен телескоп с една чиния. Докато функциите, които се опитвате да наблюдавате, са достатъчно ярки и се показват в телескопите, които използвате, за да правите наблюденията едновременно, можете да постигнете резолюции за изображения, които съответстват на разстоянието между телескопите, а не на диаметъра на самите отделни телескопи.

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)

Най-зрелищно е, че телескопните масиви досега са използвани за изобразяване на изригващи вулкани на повърхността на луната на Юпитер Йо, дори в момента, в който Йо попада в сянката на друга луна на Юпитер.

EHT използва тази същата концепция, за да изследва радиацията, идваща от черните дупки с най-големи ъглови диаметри, както се вижда от Земята. Ето шестте неща, които сме готови да научим при пускането на първите изображения.

Черната дупка в центъра на нашия Млечен път, симулирана тук, е най-голямата, наблюдавана от гледна точка на Земята. Телескопът Event Horizon трябва да излезе на 10 април 2019 г. с първото си изображение как изглежда хоризонтът на тази централна черна дупка, докато този в центъра на M87, вторият по големина, може да бъде видим също и с тази технология , Белият кръг представлява радиусът на Шварцшилд на черната дупка, докато тъмният регион трябва да бъде лишен от емисии поради нестабилността на орбитите около него. (UTE KRAUS, ФИЗИЧЕСКА ОБРАЗОВАТЕЛНА ГРУПА КРАУС, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; ПРЕДСТАВИТЕЛ: AXEL MELLINGER)

1.) Черните дупки имат ли правилните размери, които прогнозира Общата относителност? Според теорията на Айнщайн, въз основа на измерената гравитационна маса на черната дупка в центъра на Млечния път, самият хоризонт на събитието трябва да бъде в диаметър 11 микро-дъга-секунди (μas), но не трябва да има емисии, идващи в рамките на 37 μas поради факта, че в рамките на този ъглов диаметър, материята трябва бързо да се върти към сингулярността. С разделителна способност от 15 μas, EHT трябва да може да вижда хоризонт и да измерва дали размерът съответства на нашите прогнози или не. Това ще бъде приказно изпитание за обща относителност.

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))

2.) Аккреционните дискове ли са подравнени с черната дупка, хостващата галактика или произволно? Никога досега не сме наблюдавали диск за натрупване и всъщност единствената реална индикация, която имаме за ориентацията на материята около черните дупки, идва от случаите, когато:

  • има излъчен струя, който можем да открием от черната дупка,
  • или има разширени емисии, идващи от околния регион.

Но нито едно от тези наблюдения не е заместител на прякото измерване. Когато излязат тези първи изображения, EHT трябва да може да ни каже дали дискът за натрупване е ръбово, лицево или с каквато и да е друга ориентация.

Някои от възможните профилни сигнали на хоризонта на събитията на черната дупка като симулации на телескопа на хоризонта на събитията показват. (ВИСОКОГРАБЛИЧНА РЕЗОЛЮЦИЯ И НАУЧНОСТ НА ВИСОКА чувствителност, УВЕЛИЧЕНА ОТ БЕМФОРМИРАНА АЛМА, V. FISH ET AL., ARXIV: 1309.3519)

3.) Дали кръгът на събитието на черната дупка е кръгъл, както е предвидено, или придобива различна форма? Въпреки че се очаква всички физически реалистични черни дупки да се завъртят до известна степен, формата на хоризонта на събитията се предвижда да бъде неразличима от тази на перфектната сфера.

Но други форми са възможни. Някои обекти изпъкват по дължината на своите екватори, когато се въртят, създавайки форма, известна като сплитована сферида, като планетата Земя. Други пълзят нагоре по въртящите си оси, което води до футболна форма, известна като пролатен сфероид. Ако общата относителност е правилна, сферата е това, което очакваме, но няма заместител сами да правим критичните наблюдения. Когато изображенията излязат на 10 април, трябва да имаме своите отговори.

Пет различни симулации в обща относителност, използващи магнитохидродинамичен модел на акредиращия диск на черната дупка и как ще изглежда радиосигналът в резултат. Обърнете внимание на ясния подпис на хоризонта на събитията във всички очаквани резултати, но също и как те могат да се появят по различен начин в детайли в зависимост от турбулентността, силата на магнитното поле и др. (GRMHD симулации на видимост увеличават вариабилността за събития на хоризонтния телескоп изображения на SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

4.) Защо черните дупки пламват? Когато черната дупка е в състояние на незапалване, около хоризонта на събитията се появяват специфични подписи, които предвиждаме. Но тогава, когато се зачерви черна дупка, има различни характеристики, които радиацията около нея ще проявява.

Как ще изглеждат тези емисии? Ще има ли бурни функции, които се появяват на диска по всяко време? Ще има ли „горещи точки“, както е предвидено, които са най-видими в пламтящото състояние? Ако имаме късмет и видим някой от тези подписи, може би сме на път да научим защо пламват черни дупки, само като наблюдаваме разширените радио емисии около тях. Въз основа на тези наблюдения трябва да научим и допълнителна информация за силата на магнитните полета около тези черни дупки.

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, ние не само ще получим изображение, но ще научим дали рентгеновите емисии ни дават точни масови оценки за черни дупки или не. (ТОП-ОПТИЧЕСКИ, HUBBLE SPACE TELESCOPE / НАСА / WIKISKY; НИВО ЛЯВО, РАДИО, НРАО / МНОГО ГОЛЯМО СЪСТОЯНИЕ (VLA); НИВО НАДЯСНО, X-RAY, НАСА / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

5.) Пристрани ли са рентгеновите оценки на масата на черната дупка към по-ниски стойности? Понастоящем има два начина да се изведе масата на черна дупка: чрез измерване на гравитационните й ефекти върху звезди (и други обекти), които я обикалят, и от (рентгенови) емисии на газа, който я обикаля. Лесно можем да направим измерванията на базата на газ за повечето черни дупки, включително тази в центъра на Млечния път, което ни дава маса от приблизително 2,5-2,7 милиона слънчеви маси.

Но гравитационното измерване е далеч по-директно, въпреки че е по-голямо наблюдение. Все пак ние сме го направили в нашата собствена галактика и сме направили извод за маса от приблизително 4 милиона слънчеви маси: около 50% по-висока, отколкото рентгеновите наблюдения показват. Напълно очакваме, че това ще бъде размерът на хоризонта на събитията, който измерваме. Ако измерванията на M87 показват по-висока стойност, отколкото рентгеновата емисия показва, можем да научим, че оценките на рентгеновите лъчи са систематично ниски, което ни показва, че има нова астрофизика (но не нова фундаментална физика) в игра.

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 на 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 и все още може да открие движението му във времето. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

6.) Можем ли да видим, че черната дупка „трептя“ във времето, както е предвидено? Тази може да не излезе веднага, особено ако всичко, което получим от тези първоначални наблюдения, е единично изображение на една или две черни дупки. Но една от научните цели на EHT е да наблюдава как черните дупки се развиват с времето, което означава, че те планират да правят множество изображения в различно време и да реконструират филм от тези черни дупки.

Поради наличието на звезди и други маси, привидното положение на черната дупка ще се промени значително с течение на времето, тъй като тя се изтласква гравитационно. Въпреки че вероятно ще са необходими години, за да наблюдаваме движение на черната дупка със значително количество, имаме данни, които са били взети в течение на дълго време. В центровете на галактиките черните дупки, изобразени с EHT, могат да започнат да проявяват признаци на това трептене: космическият еквивалент на броуновското движение.

Свръхмасивната черна дупка в центъра на нашата галактика, Стрелец А *, пламва ярко при рентгенови лъчи, когато материята е погълната. В други дължини на вълната на светлината, от инфрачервена връзка до радио, можем да видим отделните звезди в тази най-вътрешна част на галактиката. (X-RAY: NASA / UMASS / D.WANG ET AL., IR: НАСА / STSCI)

Критичните наблюдения за създаването на първото изображение на черна дупка, ако предположим, че EHT публикува една от черната дупка в центъра на Млечния път, бяха предприети още през 2017 г .: преди две пълни години. Това отне толкова много време, за да се анализира, изчисти, изреже, коригира и синтезира пълния набор от данни, което се равнява на около 27 петабайта за критичното наблюдение. (Въпреки че само около 15% от тези данни са подходящи и използваеми за създаване на изображение.)

В 9 часа източно време (6 часа сутринта по Тихоокеанско време) на 10 април съвместната работа на EHT ще проведе пресконференция, където се очаква да пуснат първото изображение на хоризонт на събитията и е възможно много - или вероятно дори всички - от на тези въпроси ще се отговори. Каквито и да са резултатите, това е монументална стъпка напред за физиката и астрофизиката и води в нова ера на науката: директни тестове и изображения на самия хоризонт на събитията на черната дупка!

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“.