Det sorte hul, som illustreret i filmen Interstellar, viser en begivenhedshorisont ret nøjagtigt for en meget specifik klasse af roterende sorte huller. Billedkredit: Interstellar / R. Hurt / Caltech.

2018 bliver året, som menneskeheden direkte ser "vores første sorte hul

Event Horizon Telescope er kommet online og taget sine data. Nu venter vi på resultaterne.

Sorte huller er nogle af de mest utrolige objekter i universet. Der er steder, hvor der er samlet så meget masse i en så lille mængde, at de enkelte stofpartikler ikke kan forblive som de normalt er, og i stedet falde sammen til en singularitet. Omkring denne singularitet er et kugle-lignende område kendt som begivenhedshorisonten, indefra som intet kan undslippe, selvom det bevæger sig med Universets maksimale hastighed: lysets hastighed. Selvom vi kender tre separate måder at danne sorte huller på og har opdaget bevis for tusinder af dem, har vi aldrig afbildet en direkte. På trods af alt det, vi har opdaget, har vi aldrig set et sort huls hændelseshorisont eller endda bekræftet, at de virkelig havde en. Næste år er det ved at ændre sig, da de første resultater fra Event Horizon Telescope vil blive afsløret, hvilket besvarer et af de længst stillede spørgsmål inden for astrofysik.

Placeringen af ​​radioskålene, der er planlagt, er en del af arrangementet Horizon Telescope. Billedkredit: Event Horizon Telescope / University of Arizona.

Ideen om et sort hul er ikke noget nyt, da forskere i århundreder har indset, at når du samler mere masse i et givet rumfang, skal du bevæge dig i hurtigere og hurtigere hastigheder for at flygte fra den tyngdepunktsbrønd, det skaber. Da der er en maksimal hastighed, som ethvert signal kan bevæge sig med - lysets hastighed - når du et punkt, hvor alt fra inde i regionen er fanget. Sagen indeni vil forsøge at støtte sig selv mod gravitations-sammenbrud, men enhver kraftbærende partikler, den forsøger at udsende, bliver bøjet mod den centrale singularitet; der er ingen måde at udøve et udadgående skub. Som et resultat er en singularitet uundgåelig, omgivet af en begivenhedshorisont. Noget, der falder ind i begivenhedshorisonten? Også fanget; indefra begivenhedshorisonten fører alle stier mod den centrale singularitet.

En illustration af et aktivt sort hul, et, der hæfter stof og fremskynder en del af det udad i to vinkelrette stråler, kan beskrive det sorte hul i midten af ​​vores galakse i mange henseender. Billedkredit: Mark A. Garlick.

Praktisk set er der tre mekanismer, som vi kender til for at skabe ægte, astrofysiske sorte huller.

  1. Når en massiv nok stjerne brænder gennem sit brændstof og går supernova, kan den centrale kerne implodere og omdanne et betydeligt fragment af den pre-supernova stjerne til et sort hul.
  2. Når to neutronstjerner smelter sammen, hvis deres kombinerede postfusionsmasse er mere end ca. 2,5 til 2,75 solmasser, vil det resultere i produktionen af ​​et sort hul.
  3. Og hvis enten en massiv stjerne eller en sky af gas kan gennemgå direkte sammenbrud, vil den også producere et sort hul, hvor 100% af den indledende masse går i det endelige sorte hul.
Kunstværker, der illustrerer en simpel sort cirkel, måske med en ring rundt, er et forenklet billede af, hvordan en begivenhedshorisont ser ud. Billedkredit: Victor de Schwanberg.

Over tid kan sorte huller fortsætte med at fortære stof, og vokse i både masse og størrelse jævnt. Hvis du fordoble massen på dit sorte hul, fordobles dets radius også. Hvis du forøger den ti gange, stiger radius også med en faktor på ti. Dette betyder, at når du går op i massen - når dit sorte hul vokser - bliver dens begivenhedshorisont større og større. Da intet kan flygte fra det, skal begivenhedshorisonten fremstå som et sort "hul" i rummet, der blokerer for lyset fra alle objekter bag det, forstærket af gravitationsbøjningen af ​​lys på grund af forudsigelserne om generel relativitet. Alt i alt forventer vi, at begivenhedshorisonten fra vores synspunkt er 250% så stor, som masseforudsigelserne ville antyde.

Et sort hul er ikke kun en masse, der er lagt over en isoleret baggrund, men vil udvise gravitationseffekter, der strækker, forstørrer og forvrænger baggrundslys på grund af gravitationslinsering. Billedkredit: Ute Kraus, Fysikuddannelsesgruppen Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (baggrund).

Under hensyntagen til alt dette kan vi se på alle de kendte sorte huller, inklusive deres masser, og hvor langt væk de er, og beregne, hvilken der skal vises den største fra Jorden. Vinderen? Skytten A *, det sorte hul i midten af ​​vores galakse. Dens kombinerede egenskaber ved at være “kun” 27.000 lysår fjerne, mens de stadig når en spektakulær stor masse, der er 4.000.000 gange solens, gør det til nr. 1. Interessant nok er det sorte hul, der rammer nr. 2, det centrale sorte hul i M87: den største galakse i jomfrueklyngen. Selvom det er over 6 milliarder solmasser, ligger det ca. 50–60 millioner lysår væk. Hvis du vil se en begivenhedshorisont, er vores eget galaktiske center stedet at se på.

Nogle af de mulige profilsignaler for det sorte huls hændelseshorisont som simuleringer af Event Horizon Telescope indikerer. Billedkredit: Vidvinklet opløsning og videnskab med høj følsomhed aktiveret af Beamformed ALMA, V. Fish et al., ArXiv: 1309.3519.

Hvis du havde et teleskop på størrelse med Jorden, og intet mellem os og det sorte hul til at blokere lyset, ville du være i stand til at se det, ikke noget problem. Nogle bølgelængder er relativt gennemsigtige over for det mellemliggende galaktiske stof, så hvis du ser på langbølgelængde, som radiobølger, kunne du potentielt se selve begivenhedshorisonten. Nu har vi ikke et teleskop på størrelse med Jorden, men vi har en række radioteleskoper over hele kloden og teknikkerne til at kombinere disse data til at producere et enkelt billede. Event Horizon Telescope bringer det bedste ud af vores nuværende teknologi sammen og skulle gøre det muligt for os at se vores allerførste sorte hul.

Et billede af de forskellige teleskoper, der bidrager til Event Horizon Telescope's billedkapacitet fra en af ​​Jordens halvkugler. Der blev taget data i april, der skulle muliggøre detektion (eller ikke-detektion) af en begivenhedshorisont omkring Skytten A * inden for det næste år. Billedkredit: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. Malin.

I stedet for et enkelt teleskop er 15 til 20 radioteleskoper opstillet over hele kloden og observerer det samme mål samtidigt. Med op til 12.000 kilometer, der adskiller de fjerneste teleskoper, kan objekter så små som 15 mikroarcsekunder (μas) løses: størrelsen på en flue på Månen. I betragtning af massen og afstanden til Skytten A * forventer vi, at den vises mere end dobbelt så stor som dette tal: 37 μas. Ved radiofrekvenser skulle vi se masser af ladede partikler, der er accelereret af det sorte hul, men der skal være et "tomrum", hvor selve begivenhedshorisonten ligger. Hvis vi kan kombinere dataene korrekt, skal vi være i stand til at konstruere et billede af et sort hul for allerførste gang.

Fem forskellige simuleringer i generel relativitet ved hjælp af en magnetohydrodynamisk model af det sorte huls akkretionsskive, og hvordan radiosignalet vil se ud som et resultat. Bemærk den klare underskrift af begivenhedshorisonten i alle de forventede resultater. Billedkredit: GRMHD-simuleringer af synlighedsamplitudevariation for Event Horizon Telescope-billeder af Sgr A *, L. Medeiros et al., ArXiv: 1601.06799.

Teleskopene, der består af Event Horizon Telescope, tog deres allerførste skud på at observere Skytten A * samtidig sidste år. Dataene er samlet, og de udarbejdes og analyseres i øjeblikket. Hvis alt fungerer som designet, får vi vores første billede i 2018. Vil det fremstå som generel relativitet forudsiger? Der er nogle utrolige ting at teste:

  • om det sorte hul har den rigtige størrelse som forudsagt af generel relativitet,
  • om begivenhedshorisonten er cirkulær (som forudsagt), eller skiftevis eller forlænget i stedet,
  • om radioemissionerne strækker sig længere end vi troede, eller
  • om der er andre afvigelser fra den forventede opførsel.
Orienteringsdiskenes orientering som enten frontvendt (venstre to paneler) eller kant-på (højre to paneler) kan meget ændre, hvordan det sorte hul ser ud for os. Billedkredit: 'Mod begivenhedshorisonten - det supermassive sorte hul i det galaktiske center', klasse. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013).

Uanset hvad vi gør (eller ikke) ender med at opdage, er vi klar til at gøre et utroligt gennembrud blot ved at konstruere vores første image af et sort hul. Vi skal ikke længere stole på simuleringer eller kunstnerens forestillinger; vi har vores allerførste faktiske, databaserede billede at arbejde med. Hvis det er vellykket, baner det vejen for endnu længere baselineundersøgelser; med en række radioteleskoper i rummet, kunne vi udvide vores rækkevidde fra et enkelt sort hul til mange hundrede af dem. Hvis 2016 var gravitationsbølgenes år, og 2017 var året med neutronstjernefusionen, er 2018 oprettet til at være året for begivenhedshorisonten. For enhver fan af astrofysik, sorte huller og generel relativitet lever vi i guldalderen. Det, der engang blev betragtet som ”uprøveligt”, er pludselig blevet reelt.

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.