I april 2017 pegede alle de 8 teleskoper / teleskoparrays, der er forbundet med Event Horizon-teleskopet mod Messier 87. Sådan ser et supermassivt sort hul ud, hvor begivenhedshorisonten er tydeligt synlig. (EVENT HORIZON TELESCOPE SAMLING ET AL.)

10 dybe lektioner fra vores første billede af en sort hul's begivenhedshorisont

Og hvad har vi stadig tilbage at lære?

Den originale idé om et sort hul går helt tilbage til 1783, da Cambridge-videnskabsmand John Michell erkendte, at en massiv nok genstand i et lille nok rumfang ville gøre alt - selv lys - ude af stand til at flygte fra det. Mere end et århundrede senere opdagede Karl Schwarzschild en nøjagtig løsning på Einsteins generelle relativitet, der forudsagde det samme resultat: et sort hul.

Både Michell og Schwarzschild forudsagde et eksplicit forhold mellem begivenhedshorisonten eller radius for det område, hvorfra lys ikke kan undslippe, og massen af ​​det sorte hul såvel som lysets hastighed. I 103 år efter Schwarzschild gik denne forudsigelse uprøvet. Til sidst den 10. april 2019 afslørede forskere det første nogensinde billede af et sort huls begivenhedshorisont. Einsteins teori vandt igen, ligesom hele videnskaben gjorde.

Det næststørste sorte hul set fra Jorden, det i midten af ​​galaksen M87, er vist i tre synspunkter her. Øverst er optisk fra Hubble, nederst til venstre er radio fra NRAO, og nederst til højre er røntgenbillede fra Chandra. På trods af sin masse på 6,6 milliarder solskin er den over 2000 gange længere væk end Skytten A *. Event Horizon Telescope forsøgte at se det sorte hul i radioen, og dette er nu placeringen af ​​det første sorte hul, der får sin begivenhedshorisont afsløret. (TOP, OPTISK, HUBBLE RUM TELESCOPE / NASA / WIKISKY; NEDRE VENSTRE, RADIO, NRAO / MEGET STOR ARRAY (VLA); LAVERE RETT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Selvom vi allerede vidste masser af sorte huller inden det første direkte billede af en begivenhedshorisont, kvalificerer denne nye udgivelse sig virkelig som en spiludveksler. Der var en række spørgsmål, vi havde før denne opdagelse, og mange af dem er nu med succes besvaret.

Den 10. april 2019 frigav samarbejdet Event Horizon Telescope det første succesrige billede af et sort huls begivenhedshorisont. Det omhandlede sorte hul kommer fra galaksen Messier 87: den største og mest massive galakse inden for vores lokale superkluster af galakser. Begivenhedshorisontens vinkeldiameter blev målt til at være 42 mikro-lysbue-sekunder, hvilket antyder, at det ville tage 23 kvadrillioner sorte huller af tilsvarende størrelse for at fylde hele himlen.

Den enorme glorie omkring den kæmpe elliptiske galakse Messier 87 vises på dette meget dybe billede. Et overskud af lys i den øverste højre del af denne glorie og bevægelsen af ​​planetariske tåger i galaksen er de sidste resterende tegn på en mellemstor galakse, der for nylig kolliderede med Messier 87. (CHRIS MIHOS (CASE WEST RESERVE UNIVERSITY) ) / ESO)

I en afstand af 55 millioner lysår er den udledte masse for det sorte hul 6,5 milliarder gange så stor som vores sol. Fysisk svarer det til en størrelse, der er større end Plutos bane omkring solen. Hvis der ikke var noget sort hul til stede, ville det tage lys omkring en dag at rejse hen over begivenhedens horisontdiameter. Det er kun fordi:

  1. Event Horizon Telescope har tilstrækkelig opløsning til at se dette sorte hul,
  2. det sorte hul er en stærk udsender af radiobølger,
  3. og der er meget lidt forgrundsradioemissioner til at forurene signalet,

at vi overhovedet var i stand til at konstruere dette første billede. Nu, hvor vi har gjort det, her er 10 dybe lektioner, som vi enten har lært eller er godt på vej til at lære.

1. Dette er virkelig et sort hul, som forudsagt af generel relativitet. Hvis du nogensinde har set en artikel med en titel som, "hævder teoretikeren med fedhed, at sorte huller ikke findes" eller "denne nye teori om tyngdekraften kunne styrke Einstein," har du sandsynligvis samlet, at fysikere ikke har noget problem med at drømme op alternative teorier til mainstream. Selvom generel relativitet har bestået hver test, vi har kastet den, er der ingen mangel på udvidelser, erstatninger eller mulige udskiftninger.

Nå, denne observation regulerer en masse af dem. Vi ved nu, at dette er et sort hul og ikke et ormehul, i det mindste for den mest almindelige klasse af ormhullemodeller. Vi ved, at der er en reel begivenhedshorisont og ikke en nøgen singularitet, i det mindste for mange generelle klasser af nøgne singulariteter. Vi ved, at begivenhedshorisonten ikke er en hård overflade, da det infalling stof ville have genereret en infrarød signatur. Dette er, til grænser for de observationer, vi har foretaget, i overensstemmelse med generel relativitet.

Imidlertid siger observationen heller ikke noget om mørkt stof, mest modificerede gravitationsteorier, kvantetyngdekraft eller hvad der ligger bag begivenhedshorisonten. Disse ideer ligger uden for rammerne af Event Horizon Telescope's observationer.

En stor sleve stjerner er blevet opdaget nær det supermassive sorte hul ved Mælkevejens kerne, mens M87 giver udsigten til at observere absorptionsfunktioner fra nærliggende stjerner. Det giver dig mulighed for at udlede en masse til det centrale sorte hul på tyngdekraften. Du kan også foretage målinger af gassen, der kredser rundt om et sort hul. Gasmålinger er systematisk lavere, mens gravitationsmålinger er højere. Resultaterne fra Event Horizon Telescope stemmer overens med tyngdepunktdataene og ikke med de gasbaserede data. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORI / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

2. Gravitationsdynamik af stjerner giver gode skøn for sorte hulmasser; observationer af gas ikke. Før Event Horizon Telescope's første billede havde vi en række forskellige måder at måle masserne af sorte huller på. Vi kunne enten bruge målinger af stjerner - såsom de individuelle kredsløb af stjerner omkring det sorte hul i vores egen galakse eller absorptionslinjerne for stjerner i M87 - som giver os en gravitationsmasse, eller emissioner fra gassen i bevægelse omkring den centrale sorte hul.

For både vores galakse og M87 var disse to estimater meget forskellige, med tyngdepunktestimaterne omkring 50–90% større end gasestimaterne. For M87 angav gasmålingerne en sort hulmasse på 3,5 milliarder solskin, mens gravitationsmålingerne var tættere på 6,2–6,6 milliarder. Fra Event Horizon-teleskopets resultater vejer det sorte hul ind på 6,5 milliarder solmasser og fortæller os, at gravitationsdynamikken er gode sporere efter sorte hulmasser, men at slutninger fra gas er partiske mod lavere værdier. Det er en fantastisk mulighed for at undersøge vores antagelser om astrofysik om den omløbende gas.

Placeret cirka 55 millioner lysår fra Jorden, indeholder galaksen M87 en enorm relativistisk jet, såvel som udstrømninger, der dukker op i både radio og røntgen. Dette optiske billede viser en jet; vi ved nu fra Event Horizon Telescope, at det sorte huls rotationsakse peger væk fra Jorden, vippet ca. 17 grader. (ESO)

3. Dette skal være et roterende sort hul, og dets rotationsakse peger væk fra Jorden. Med observationer af begivenhedshorisonten, radioemissionerne omkring den, den store skala og de udvidede radioemissioner, som tidligere blev målt af andre observatorier, har Event Horizon Telescope Collaboration bestemt at dette skal være en Kerr (roterende) og ikke et Schwarzschild (ikke-roterende) sort hul.

Der er ingen enkel funktion, som vi kan se på for at drille denne natur. Snarere er vi nødt til at konstruere blændende modeller af selve det sorte hul og sagen uden for det og derefter udvikle dem for at se, hvad der sker. Når du ser på de forskellige signaler, der kan dukke op, får du muligheden for at begrænse, hvad der muligvis er i overensstemmelse med dine resultater. Det sorte hul skal rotere, og rotationsaksen peger væk fra Jorden ca. 17 grader.

Konceptkunst af en tiltrædelsesring og jet omkring et supermassivt sort hul. Selvom dette har været vores billede af, hvordan sorte hulmotorer burde arbejde i lang tid, har Event Horizon-teleskopet leveret nye beviser, der bekræfter det. (NASA / JPL-Caltech)

4. Vi var i stand til endeligt at bestemme, at der er stof, der er i overensstemmelse med akkretionsskiver og strømme, omkring det sorte hul. Vi vidste allerede, at M87 havde en jet fra de optiske observationer, og at den også udsendte radiobølger og røntgenstråler. Du kan ikke virkelig få den type stråling fra stjerner eller fotoner alene; du har brug for stof og især elektroner. Kun ved at accelerere elektroner i et magnetfelt kan du få den karakteristiske radioemission, som vi har set: synkrotronstråling.

Dette tog også en utrolig mængde simuleringsarbejde. Ved at twiddle de forskellige parametre for alle mulige modeller, lærer du, at ikke kun disse observationer kræver akkretionsstrømme for at forklare radioresultaterne, men de forudsiger nødvendigvis ikke-radioresultater, såsom røntgenemissioner. Det er ikke kun Event Horizon Telescope, der gjorde nøgleobservationer for dette, men andre observatorier, ligesom Chandra røntgenteleskop. Tiltrædelsesstrømmene skal blive varme, som indikeret af spektret af M87s centrale emissioner, i overensstemmelse med relativistiske, accelererende elektroner i et magnetfelt.

Denne kunstners indtryk afbilder fotoneres baner i nærheden af ​​et sort hul. Gravitationsbøjningen og indfangningen af ​​lys ved begivenhedshorisonten er årsagen til skyggen, der er fanget af Event Horizon Telescope. De fotoner, der ikke er fanget, skaber en karakteristisk sfære, og det hjælper os med at bekræfte General Relativitys gyldighed i dette nyligt testede regime. (NICOLLE R. FULLER / NSF)

5. Den synlige ring angiver styrken af ​​tyngdekraften og gravitationslinsering omkring det centrale sorte hul; igen bestå den generelle relativitet testen. Denne radioring svarer ikke til selve begivenhedshorisonten, og den svarer heller ikke til en ring med kredsende partikler. Det er heller ikke det inderste stabile cirkulære kredsløb (ISCO) af det sorte hul. I stedet stammer denne ring fra en kugle med gravitationslystne fotoner, som er bøjet af tyngdekraften i det sorte hul, før de rejser til vores øjne.

Lyset bøjes i en større sfære, end du kunne forvente, hvis tyngdekraften ikke var så stærk. I henhold til det første af seks papirer, der blev frigivet af Event Horizon Telescope Collaboration,

"Vi finder ud af, at> 50% af den samlede flux ved bueskala skala kommer fra nær horisonten, og at emissionen dramatisk undertrykkes det indre af denne region med en faktor> 10, hvilket giver direkte bevis for den forudsagte skygge af et sort hul."

Aftalen mellem General Relativitys forudsigelser og det, vi har set her, er en anden bemærkelsesværdig fjer i hætten på Einsteins største teori.

De fire forskellige billeder fra fire forskellige tidspunkter viser tydeligt, at to par billeder varierer lidt på en tidsskala på en dag, men meget når der er gået 3 eller 4 dage. I betragtning af tidsskalaen for variationer af M87 er dette ekstremt i overensstemmelse med vores billede af hvordan sorte huller skal og udvikle sig. (EVENT HORIZON TELESCOPE SAMLING)

6. Sorte huller er dynamiske enheder, og strålingen, der udsendes fra dem, ændrer sig over tid. Med en rekonstrueret masse på 6,5 milliarder solmasser tager det ca. en dag for lys at rejse hen over det sorte huls begivenhedshorisont. Dette indstiller groft den tidsplan, som vi forventer at se funktioner ændre sig og svinge i den stråling, der er observeret af Event Horizon Telescope.

Selv med observationer, der kun spænder over et par dage, har vi bekræftet, at strukturen af ​​den udsendte stråling ændrer sig over tid, som forudsagt. Data fra 2017 indeholder fire nætter med observationer. Selv når du kigger på disse fire billeder, kan du visuelt se, hvordan de første to datoer har lignende funktioner, og de to sidstnævnte datoer har lignende funktioner, men der er endelige ændringer, der er synlige - og variable - mellem de tidlige og sene billedssæt. Med andre ord ændrer funktionerne ved strålingen fra omkring M87s sorte hul sig over tid.

Vores galakas supermassive sorte hul har været vidne til nogle utroligt lyse fakler, men ingen var så lyse eller langvarige som XJ1500 + 0134. På grund af begivenheder som denne og mange andre eksisterer en stor mængde Chandra-data over en periode på 19 år af det galaktiske centrum. Event Horizon-teleskopet tillader os endelig at undersøge deres oprindelse. (NASA / CXC / STANFORD / I. ZHURAVLEVA ET AL.)

7. Event Horizon-teleskopet vil i fremtiden afsløre det fysiske oprindelse af sorte hulbrande. I både røntgen og radio har vi set det sorte hul i midten af ​​vores egen Mælkevej udsende forbigående stråler. Selvom det allerførste billede, der blev frigivet, var af det ultramassive sorte hul i M87, vil det i vores galakse - Skytten A * - være lige så stort, men vil ændre sig på meget hurtigere tidsskalaer.

I stedet for 6,5 milliarder solmasser er Skytten A * 's masse kun 4 millioner solmasser: 0,06% så stor. Det betyder, i stedet for at variere på en tidsplan på cirka en dag, ser vi på variationer i tidsskalaen på cirka et minut. Dens egenskaber vil udvikle sig hurtigt, og når en fakkel opstår, skal den være i stand til at afsløre, hvilken karakter disse flares er.

Hvordan forholder fakler sig til temperaturen og lysstyrken for de radiofunktioner, vi kan se? Er der magnetiske genforbindelsesbegivenheder, der ligner koronale masseudsprøjtninger fra vores sol? Skæres der noget i akkretionsstrømmene? Skytten A * blusser dagligt, så vi kan spore signalerne, der er forbundet med disse begivenheder. Hvis vores simuleringer og observationer er så gode, som de var for M87, og de burde være, vil vi være i stand til at bestemme, hvad der driver disse begivenheder, og måske endda lære, hvad der falder i det sorte hul for at skabe dem.

Denne kunstners indtryk skildrer omgivelserne i et sort hul og viser en akkretionsskive af overophedet plasma og en relativistisk jet. Vi har endnu ikke bestemt, om sorte huller har deres eget magnetfelt, uafhængigt af sagen uden for det. (NICOLLE R. FULLER / NSF)

8. Polarisationsdata kommer og vil afsløre, om sorte huller har et iboende magnetisk felt. Mens vi alle helt sikkert har haft det første billede af et sort huls begivenhedshorisont, er det vigtigt at værdsætte, at et helt nyt billede er på vej: et, der illustrerer polariseringen af ​​lys fra det sorte hul. På grund af lysets elektromagnetiske natur vil dets interaktion med et magnetfelt indprente en specifik polarisationssignatur på det, så vi kan rekonstruere magnetfeltet i et sort hul, samt hvordan dette felt ændrer sig over tid.

Vi ved, at sagen uden for begivenhedshorisonten, da den er baseret på bevægelige ladede partikler (som elektroner), vil generere sit eget magnetfelt. Modeller indikerer, at feltlinjerne enten kan forblive i akkretionsstrømmene eller passere gennem begivenhedshorisonten, hvilket resulterer i, at det sorte hul forankrer dem. Der er en forbindelse mellem disse magnetfelter, sort hullets ophøjning og vækst og de jetfly, de udsender. Uden felterne ville der ikke være nogen måde for sagen i tiltrædelsesstrømmene at miste vinkelmoment og falde ind i begivenhedshorisonten.

Polarisationsdata, gennem kraften i polarimetrisk billeddannelse, vil fortælle os dette. Vi har allerede dataene; vi har bare brug for at udføre den fulde analyse.

I galaksernes centre findes der stjerner, gas, støv og (som vi ved nu) sorte huller, som alle kredser og interagerer med den centrale supermassive tilstedeværelse i galaksen. Masserne her reagerer ikke kun på det buede rum, de krummer også rummet selv. Dette skulle få de sorte sorte huller til at opleve en jitter, hvilket fremtidige opgraderinger til Event Horizon Telescope kan gøre det muligt for os at se. (ESO / MPE / MARC SCHARTMANN)

9. Forbedringer i instrumentet til Event Horizon Telescope vil afsløre tilstedeværelsen af ​​yderligere sorte huller nær galaktiske centre. Når en planet kredser rundt om solen, er det ikke kun fordi solen udøver et tyngdekraften på planeten. I stedet er der en lige og modsat reaktion: planeten trækker tilbage på solen. Tilsvarende, når en genstand kredser rundt om et sort hul, udøver den også et tyngdekraftstræk på selve det sorte hul. Med en hel masse masser nær galaxernes centre - og i teorien er mange små, usynlige sorte huller også til stede - skulle det centrale sorte hul opleve en brownisk bevægelseslignende jitter til sin position.

Problemer med at foretage denne måling i dag er, at du har brug for et referencepunkt for at kalibrere din position i forhold til det sorte huls placering. Teknikken til at måle dette vil indebære at se på din kalibrator, derefter din kilde, derefter din kalibrator, derefter din kilde osv. Dette kræver, at du kigger væk og derefter tilbage på dit mål meget hurtigt. Desværre ændrer atmosfæren sig så hurtigt, på tidsskalaer mellem 1 og 10 sekunder, at du ikke har tid til at se væk og derefter tilbage til dit mål. Det kan ikke gøres med nutidens teknologi.

Men dette er et område, hvor teknologien forbedrer sig utroligt hurtigt. Instrumenterne, der bruges af Event Horizon Telescope-samarbejdet, forudser opgraderinger og kan muligvis opnå den nødvendige hastighed i midten af ​​2020'erne. Dette puslespil kan løses ved udgangen af ​​det næste årti, alt sammen på grund af forbedringer i instrumenteringen.

Et kort over eksponeringen på Chandra Deep Field-South på 7 millioner sekund. Denne region viser hundreder af supermassive sorte huller, hver i en galakse langt ud over vores egen. GOODS-South-feltet, et Hubble-projekt, blev valgt til at være centreret om dette originale billede. Et opgraderet Event Horizon Telescope kan muligvis også se hundreder af sorte huller. (NASA / CXC / B. LUO ET AL., 2017, APJS, 228, 2)

10. Endelig kan Event Horizon Telescope eventuelt se hundreder af sorte huller. For at løse et sort hul har du brug for din teleskopgruppes opløsningsevne for at være bedre (dvs. for at have en højere opløsning) end størrelsen på det objekt, du ser på. I det nuværende Event Horizon-teleskop har kun tre kendte sorte huller i universet en stor nok diameter: Skytten A *, midten af ​​M87 og midten af ​​den (radiostille) galakse NGC 1277.

Men vi kunne øge kraften i Event Horizon-teleskopet ud over Jordens størrelse ved at lancere teleskoper i kredsløb. I teorien er dette allerede teknologisk muligt. Faktisk gør den russiske mission Spekt-R (eller RadioAstron) det nu! En række rumfartøjer med radioteleskoper i kredsløb omkring Jorden ville muliggøre langt overlegen opløsning end hvad vi har i dag. Hvis vi øgede vores baseline med en faktor på 10 eller 100, ville vores opløsning øges med det samme beløb. Og ligesom vi øger frekvensen af ​​vores observationer, øger vi også vores opløsning, ligesom flere bølgelængder af højfrekvenslys kan passe over samme teleskop med samme diameter.

Med disse forbedringer kunne vi i stedet for kun 2 eller 3 galakser afsløre sorte huller i hundreder af dem, eller muligvis endnu mere. Efterhånden som dataoverførselshastighederne fortsætter med at stige, kan en hurtig nedlinking muligvis være mulig, så vi behøver ikke fysisk at returnere dataene til et enkelt sted. Fremtiden for sort hulafbildning er lys.

Det er vigtigt at erkende, at vi absolut ikke kunne have gjort dette uden et globalt, internationalt netværk af forskere og udstyr, der arbejder sammen. Du kan lære endnu mere om den detaljerede historie om, hvordan denne spektakulære præstation blev, som det vil blive fortalt i en Smithsonian-dokumentar, der debuterer denne fredag ​​den 12. april.

Mange spekulerer allerede, selv om det er for sent i år, at denne opdagelse kan føre til, at en Nobelpris i fysik blev tildelt allerede i 2020. Hvis dette skulle ske, indbefatter kandidater til, der muligvis tildeles prisen,:

  • Shep Doeleman, der var pioner, grundlagt og ledet dette projekt,
  • Heino Falcke, som skrev sædaviset med detaljer om, hvordan VLBI-teknikken, som Event Horizon Telescope bruger, kunne forestille en hændelseshorisont,
  • Roy Kerr, hvis løsning på et roterende sort hul i General Relativity er grundlaget for de detaljer, der bruges i enhver simulering i dag,
  • Jean-Pierre Luminet, der først simulerede, hvordan et billede af et sort hul ville se ud i 1970'erne og endda antydede M87 som et potentielt mål,
  • og Avery Broderick, der leverede nogle af de vigtigste bidrag til modellering af akkretionen flyder rundt om sorte huller.
Dette diagram viser placeringen af ​​alle teleskoper og teleskoparrays, der blev brugt i 2017 Event Horizon Telescope observationer af M87. Kun Sydpoleteleskopet var ikke i stand til at afbilde M87, da det er placeret på den forkerte del af Jorden for nogensinde at se den galakse centrum. (NRAO)

Historien om Event Horizon Telescope er et bemærkelsesværdigt eksempel på videnskab med høj risiko og høj belønning. Under decadalgennemgangen i 2009 erklærede deres ambitiøse forslag, at der ville være et billede af et sort hul ved udgangen af ​​2010'erne. Et årti senere har vi det faktisk. Det er en utrolig præstation.

Den var afhængig af beregningsmæssige fremskridt, konstruktion og integration af en række radioteleskopfaciliteter og samarbejdet med det internationale samfund. Atomur, nye computere, korrelatorer, der kunne forbinde forskellige observatorier, og mange andre nye teknologier var nødvendigt at blive indsat i hver enkelt af stationerne. Du var nødt til at få tilladelse. Og finansiering. Og testtid. Og derudover tilladelse til at observere på alle de forskellige teleskoper samtidigt.

Men alt dette skete, og wow, det betalte sig nogensinde. Vi lever nu i epoken med sorte hul astronomi, og begivenhedshorisonten er der for os at forestille os og forstå. Dette er blot begyndelsen. Der er aldrig opnået så meget ved at observere et område, hvor intet, ikke engang lys, kan undslippe.

Forfatteren takker og anerkender EHT-forskere Michael Johnson og Shep Doeleman for deres utrolige indsigt og informative interviews om de første resultater og fremtidige muligheder for videnskaben om at lære om sorte huller, begivenhedshorisonter og miljøerne der omgiver dem.

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.