Det sorte hul i midten af ​​vores Mælkevej, simuleret her, er det største set set fra Jordens perspektiv. Event Horizon Telescope skulle i år komme med deres første billede af, hvordan dette centrale sorte huls begivenhedshorisont ser ud. Den hvide cirkel repræsenterer Schwarzschild-radius for det sorte hul. (UTE KRAUS, FYSIKK UDDANNINGSGRUPPE KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; BAGGRUND: AXEL MELLINGER)

Årets videnskabelige gennembrud af året viser os et sort huls begivenhedshorisont

Det vil være den mest ekstreme test af Einsteins generelle relativitet nogensinde. Og vi har allerede dataene.

Med hvert år, der går, vokser og vokser den samlede mængde viden, som menneskeheden akkumulerer. I begyndelsen af ​​2015 havde menneskeheden aldrig opdaget en tyngdekraftbølge; på nuværende tidspunkt har vi opdaget 11 og forventer fuldt ud at finde flere hundrede flere i 2019. I de tidlige 1990'ere vidste vi ikke, om der var nogen planeter uden for vores eget solsystem; i dag har vi tusinder, hvoraf nogle er næsten gode nok til at blive betragtet som jordlignende.

Vi har fundet alle partiklerne i standardmodellen; vi har opdaget, at universet ikke kun ekspanderer, men accelererer; vi har bestemt, hvor mange galakser der er i universet. Men næste år sker der noget nyt og enestående: Vi forestiller os et sort huls begivenhedshorisont for første gang. Dataene er allerede i hånden; resten er bare et spørgsmål om tid.

Sorte huller er forholdsvis lette genstande at registrere, når du først ved, hvad du leder efter. Det kan virke counterintuitive, fordi de ikke udsender deres eget lys, men de har tre usikre underskrifter, der giver os mulighed for at vide, at de er der.

  1. Sorte huller skaber en enorm mængde tyngdekraft - en forvrængning / krumning af rummet - i et meget lille rumvolumen. Hvis vi kan observere gravitationseffekterne af en stor, kompakt masse, kan vi udlede eksistensen af ​​et sort hul og potentielt måle dets masse.
  2. Sorte huller påvirker stærkt miljøet, der omgiver dem. Enhver sag i nærheden vil det ikke kun opleve intense tidevandskræfter, men vil accelerere og varme op, hvilket får den til at udsende stråling uden for begivenhedshorisonten. Når vi registrerer denne stråling, kan vi rekonstruere egenskaberne ved det objekt, der driver det, hvilket ofte kun kan forklares med et sort hul.
  3. Sorte huller kan inspirere og smelte sammen, hvilket får dem til at udsende påviselige gravitationsbølger i en kort periode. Dette er kun muligt at opdage med den nye videnskab om gravitationsbølge-astronomi.
Den fjerneste røntgenstråle i universet, fra quasar GB 1428, er omtrent den samme afstand og alder, set fra Jorden, som quasar S5 0014 + 81, som muligvis huser det største kendte sorte hul i universet. Disse fjerne behemoths antages at være aktiveret ved fusioner eller andre gravitationsinteraktioner, men det er kun de sorte huller med de største masse-til-afstand-forhold, som Event Horizon Teleskopet har en chance for at løse. (X-RAY: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; OPTISK: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Event Horizon Telescope sigter imidlertid mod at gå et skridt længere end nogen af ​​disse metoder. I stedet for at foretage målinger, der gør det muligt for os at udlede egenskaber ved et sort hul indirekte, går det direkte til hjertet af sagen og planlægger at forestille et sort huls begivenhedshorisont direkte.

Metoden til at gøre det er simpelt og ligetil, men har ikke været muligt fra et teknologisk perspektiv indtil ekstremt for nylig. Årsagen er en kombination af to vigtige faktorer, der normalt går hånd i hånd i astronomi: opløsning og lysindsamling.

Da sorte huller er så kompakte genstande, er vi nødt til at gå i en ekstraordinær høj opløsning. Men fordi vi ikke leder efter selve lyset, men fraværet af lys, er vi nødt til at samle store mængder lys ekstremt omhyggeligt for at bestemme, hvor skyggen af ​​begivenhedshorisonten virkelig ligger.

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. ('TIL EVENT HORIZON - DET SUPERMASSIVE SVART HOL I GALAKTISKE CENTRE', KLASSE. KVANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

Konventionelt bør et teleskop med bedre opløsning og et teleskop med bedre lysopsamlingskraft være det samme teleskop. Opløsningen af ​​dit teleskop er defineret af antallet af bølgelængder af lys, der passer over dit teleskopskål, så større teleskoper har højere opløsning.

På samme måde bestemmes den mængde lys, du kan samle, af dit teleskopområde. Eventuelle fotoner, der rammer teleskopet, bliver samlet, så jo større dit teleskopområde er, jo mere lysopsamlingskraft har du.

Årsagen til, at teknologien har været en begrænsende faktor, er opløsning. Størrelsen, som et sort hul ser ud til at være, er proportionalt med dets masse, men omvendt proportionalt med dets afstand fra os. For at se det største sorte hul fra vores perspektiv - Skytten A *, det i midten af ​​Mælkevejen - kræves et teleskop, der er omtrent på størrelse med planeten Jorden.

En stor sleve stjerner er blevet påvist i nærheden af ​​det supermassive sorte hul ved Mælkevejens kerne. Ud over disse stjerner og den gas og støv, vi finder, forventer vi, at der vil være op mod 10.000 sorte huller inden for et par lysår fra Skytten A *, men detektering af dem havde vist sig at være unødvendigt indtil tidligere i 2018. At løse det centrale sorte hul er en opgave, som kun Event Horizon-teleskopet kan komme til. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

Vi har naturligvis ikke de ressourcer, der er i stand til at opbygge en sådan enhed! Men vi har den næste bedste ting: muligheden for at opbygge en række teleskoper. Når du har en række teleskoper, får du kun lysopsamlingskraften fra de enkelte teleskoper, som alle sammen summeres. Men opløsningen, hvis det er gjort rigtigt, giver dig mulighed for at se objekter lige så fine som afstanden mellem de fjerneste teleskoper.

Med andre ord er lysopsamlingen virkelig begrænset af teleskopstørrelse. Men opløsning, hvis vi bruger teknikken med lang baseline-interferometri (eller dets fætter, meget lang-baseline-interferometri), kan forbedres enormt ved at bruge en række teleskoper med en stor mængde mellemrum.

Et billede af de forskellige teleskoper, der bidrager til Event Horizon Telescope's billedkapacitet fra en af ​​Jordens halvkugler. De data, der er taget fra 2011 til 2017, skulle gøre det muligt for os nu at konstruere et billede af Skytten A *, og muligvis også af det sorte hul midt i M87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

Event Horizon Telescope er et netværk af 15-20 teleskoper placeret på tværs af mange forskellige kontinenter på Jorden, fra Sydpolen til Europa, Sydamerika, Afrika, Nordamerika, Australien og en række øer i Stillehavet. Alt i alt adskiller op til 12.000 kilometer de fjerneste teleskoper, der er en del af matrixen.

Dette omsættes til en opløsning så lille som 15 mikroarcsekunder (μas), hvilket er, hvor lille en flue ville vises for os her på Jorden, hvis den var placeret 400.000 kilometer væk: på Månen.

Det næststørste sorte hul set fra Jorden, det i midten af ​​galaksen M87, er vist i tre synspunkter her. På trods af sin masse på 6,6 milliarder solskin er den over 2000 gange længere væk end Skytten A *. Det kan være, eller måske ikke, det kan løses af EHT, men hvis universet er venligt, får vi trods alt et billede. (TOP, OPTISK, HUBBLE RUM TELESCOPE / NASA / WIKISKY; NEDRE VENSTRE, RADIO, NRAO / MEGET STOR ARRAY (VLA); LAVERE RETT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Der er muligvis ikke nogen fluer på månen, selvfølgelig, men der er sorte huller derude i universet med vinkelstørrelser, der er større end 15 μas. Der er faktisk to af dem: Skytten A * i midten af ​​Mælkevejen og det sorte hul i midten af ​​M87. Det sorte hul i centrum af M87 er placeret ca. 50–60 millioner lysår væk, men kommer i over 6 milliarder solmasser, hvilket gør det mere end 1.000 gange større end vores galakas kæmpe sorte hul.

Event Horizon-teleskopet fungerer ved at tage dette enorme udvalg af radioteleskoper og observere disse sorte huller samtidigt, som gør det muligt for os at rekonstruere et ultrahøj opløsningsbillede af hvad vi ser på, så længe der er nok lys samlet til at se det . Dette koncept er blevet demonstreret tidligere med en række observatorier, såsom det store binokulære teleskop, der formåede at forestille vulkaner, der brød ud på Jupiters måne, Io, mens det blev formørket af en anden af ​​Jupiters måner!

Okkultationen af ​​Jupiters måne, Io, med dens udbrudte vulkaner Loki og Pele, som okkult af Europa, hvilket er usynligt i dette infrarøde billede. GMT leverer væsentligt forbedret opløsning og billeddannelse. (LBTO)

Nøglen til at få Event Horizon-teleskopet til at fungere er at sikre os, at vi samler nok lys til at se skyggen støbt af det sorte huls begivenhedshorisont, mens vi med succes billedbehandler lyset der kommer fra og bag det. Sorte huller fremskynder stof, husk, og accelerationen af ​​ladede partikler skaber begge magnetfelter og - hvis ladede partikler accelererer i nærvær af magnetfelter - udsendelse af stråling.

Den sikreste indsats er at se i radiodelen af ​​spektret, som er den laveste energidel. Alle sorte huller, der fremskynder stof, forventes at udsende radiobølger, og vi har set dem fra både vores Mælkevejs centrum og fra M87s centrum. Forskellen er, at vi ved disse nye høje opløsninger skal være i stand til at få øje på ”tomrummet”, hvor selve begivenhedshorisonten ligger.

Atacama Large Millimeter / submillimetre Array, som fotograferet med de magellanske skyer overhead. Et stort antal retter tæt sammen, som en del af ALMA, hjælper med at skabe mange af de mest detaljerede billeder i områder, mens et mindre antal fjernere retter hjælper med at finpudse på detaljer på de lyseste steder. (ESO / C. MALIN)

Den teknologiske revolution, der skulle gøre det muligt at konstruere disse billeder, er ALMA *: Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array. Et utroligt netværk af 66 radioteleskoper, som alle selv er enorme (se ovenfor), måler dette lys i lang bølgelængde for at afsløre astronomiske detaljer som aldrig før. Allerede har ALMA vist os billeder af de støvede diske omkring nydannende stjerner med bevis for, at spædbørnsplaneterne (som ringlignende hul på disken) danner sig inde. ALMA kan forestille ultra-fjerne galakser på en overlegen måde, end hvad Hubble kan afsløre, og har fundet molekylære gassignaturer og interne rotationer.

Men måske vil dets største videnskabelige gave være al den information, den samler fra lyset omkring disse supermassive sorte huller. At skrive nok (og de rigtige typer) data hurtigt nok og derefter samle dem med nok computerkraft til at analysere dem er først nu, for første gang, muligt.

To af de mulige modeller, der med succes kan passe dataene til Event Horizon Telescope hidtil fra tidligere i 2018. Begge viser en off-center, asymmetrisk begivenhedshorisont, der er forstørret i forhold til Schwarzschild-radius, i overensstemmelse med forudsigelserne om Einsteins generelle relativitet. Et fuldt billede er endnu ikke blevet frigivet til offentligheden. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Så hvad vil 2019 bringe, når alle 27 petabyte med data (fra alle de forskellige observatorier, der ser disse sorte huller), når de er samlet, er fuldt analyseret? Vil begivenhedshorisonten fremstå som den generelle 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.
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. (GRMHD-simuleringer af synlighed AMPLITUDE VARIABILITET TIL EVENT HORIZON TELESCOPE BILLEDER AF SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

Selvom teamet Event Horizon Telescope har opdaget struktur omkring det sorte hul i vores galakse centrum, har vi stadig ikke et direkte billede. Dette kræver forståelse af vores atmosfære og de ændringer, der forekommer i den, ved at kombinere dataene og skrive nye algoritmer for at behandle dem sammen. Det er et igangværende arbejde, men første halvdel af 2019 er, når de sidste, første billeder burde ankomme. Nogle af os håbede på billederne i år eller endda sidste år, men det er mest vigtigt, at vi tager os tid og pleje for at få det rigtigt.

Når disse billeder endelig kommer, vil der ikke længere være nogen tvivl om, hvorvidt sorte huller findes, og om de findes med de egenskaber, som Einsteins største teori forudsiger. 2019 bliver året for begivenhedshorisonten, og for første gang i hele historien ved vi endelig, endeligt, hvordan de ser ud.

* - Fuld offentliggørelse: forfatteren vil lede en turné med begrænset plads til Chile, der inkluderer et besøg i ALMA, teleskopet, der er med til at indsamle dataene til dette billede, i november 2019. (Rum, der stadig findes.) Han modtog ingen udenfor kompensation for dette stykke.

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.