Siin Linnutee keskmes olev must auk, mida siin simuleeritakse, on Maa vaatevinklist suurim. Event Horizon Telescope peaks sel aastal välja tulema oma esimese pildiga, kuidas see keskse musta augu sündmuste horisont välja näeb. Valge ring tähistab musta augu Schwarzschildi raadiust. (UTE KRAUS, FÜÜSIKAALASTE HARIDUSRÜHM KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; TAUST: AXEL MELLINGER)

2019. aasta teadusaasta läbimurre näitab meile Musta augu sündmuste horisonti

See on Einsteini üldise relatiivsuse kõige ekstreemsem test. Ja meil on andmed juba olemas.

Iga aasta möödudes kasvab ja kasvab ainult kogu teadmiste hulk, mida inimkond kogub. Inimkond polnud 2015. aasta alguses kunagi gravitatsioonilainet tuvastanud; praegu oleme tuvastanud 11 ja loodame täielikult leida veel sadu 2019. aastal. 1990ndate alguses ei teadnud me, kas väljaspool meie päikesesüsteemi leidub planeete; täna on neid tuhandeid, mõned neist on peaaegu piisavalt head, et neid võiks pidada Maa-sarnasteks.

Oleme kõik standardmudelist leitud osakesed üles leidnud; oleme avastanud, et Universum mitte ainult ei laiene, vaid kiireneb; oleme kindlaks teinud, kui palju galaktikaid on universumis. Kuid järgmisel aastal juhtub midagi uut ja enneolematut: me kujutame esimest korda musta augu sündmuste horisonti. Andmed on juba käes; ülejäänud on vaid aja küsimus.

Mustad augud on üsna hõlpsasti tuvastatavad objektid, kui teate, mida otsite. See võib tunduda valeintuitiivne, kuna need ei kiirga iseenesest valgust, kuid neil on kolm kindlat allkirja, mis võimaldavad meil teada saada, et nad seal on.

  1. Mustad augud loovad väga väikeses ruumalas tohutu raskuse - ruumi moonutuse / kõveruse. Kui suudame jälgida suure kompaktse massi gravitatsioonilisi efekte, võime järeldada musta augu olemasolu ja potentsiaalselt selle massi mõõta.
  2. Mustad augud mõjutavad tugevalt neid ümbritsevat keskkonda. Mis tahes läheduses asuv asi ei koge mitte ainult intensiivseid loodejõude, vaid kiireneb ja kuumeneb, põhjustades kiirguse väljastpoolt sündmushorisonti. Selle kiirguse tuvastamisel saame rekonstrueerida selle toiteobjekti omadused, mis on sageli seletatav ainult musta auguga.
  3. Mustad augud võivad inspireerida ja sulanduda, põhjustades neil lühikese aja jooksul kiirgavaid tuvastatavaid gravitatsioonilaineid. Seda on võimalik tuvastada ainult uue teadusega gravitatsioonilainete astronoomia kohta.
Universumi kõige kaugem röntgenkiirgus, alates kvaasarist GB 1428, on Maast vaadatuna umbes sama vahemaa ja vanusega kui kvaas S5 0014 + 81, milles asub võib-olla suurim teadaolev must auk Universumis. Arvatakse, et need kauged behemotid aktiveeruvad ühinemiste või muude gravitatsiooniliste vastasmõjude abil, kuid horisontaalse kosmose teleskoobi Event Horvaatia teleskoobil on vaid lahendus mustade aukude jaoks, mille massi ja vahemaa suhe on suurim. (Röntgen: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; OPTIKA: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Event Horizon teleskoobi eesmärk on siiski minna sammu võrra kaugemale kui ükski neist meetoditest. Selle asemel, et võtta mõõtmisi, mis võimaldavad meil kaudselt järeldada musta augu omadusi, läheb see otse asja tuumani ja plaanib musta augu sündmuse horisonti pildistada otse.

Selle tegemise meetod on lihtne ja arusaadav, kuid tehnoloogilisest vaatenurgast pole see olnud võimalik alles hiljuti. Põhjus, miks on tegemist kahe olulise teguri kombinatsiooniga, mis astronoomias käivad tavaliselt käsikäes: eraldusvõime ja valguse kogumine.

Kuna mustad augud on sellised kompaktsed objektid, peame minema erakordselt kõrge eraldusvõime juurde. Kuid kuna me otsime mitte valgust ise, vaid valguse puudumist, peame koguma suures koguses valgust eriti hoolikalt, et teha kindlaks, kus sündmushorisondi vari tegelikult asub.

Pinnaseketta orientatsioon nii näo peal (kaks vasakut paneeli) kui ka serva peal (kaks paremat paneeli) võib tohutult muuta seda, kuidas must auk meile paistab. ('ÜRITUSTE HORISOONI SUUNAS - GALAKTIKA KESKUSES ÜLERAMASSIVNE MUST AUGU', KLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

Tavaliselt peaksid parema eraldusvõimega teleskoop ja parema valgust koguva jõu teleskoop olema sama teleskoop. Teie teleskoobi eraldusvõime on määratletud valguse lainepikkuste arvuga, mis sobib üle teie teleskoobi tassi, nii et suurematel teleskoopidel on suurem eraldusvõime.

Samamoodi määrab kogutava valguse hulk teie teleskoobi pindala. Kõik teleskoobiga löövad footonid kogutakse kokku, nii et mida suurem on teleskoobi pindala, seda rohkem valgust kogub.

Põhjus, miks tehnoloogia on olnud piiravaks teguriks, on eraldusvõime. Suurus, mis must auk näib olevat võrdeline selle massiga, kuid pöördvõrdeline selle kaugusega meist. Meie vaatevinklist suurima musta augu - Amburi A *, Linnutee keskel oleva - nägemiseks on vaja umbes planeedi Maa suurust teleskoopi.

Linnutee tuuma juures oleva supermassiivse musta augu lähedal on avastatud suur tähtede arv. Lisaks nendele tähtedele ja gaasi ja tolmule, mida me leiame, arvatakse, et vaid mõne valgusaasta jooksul pärast Amburit A * on 10 000 musta auku ülespoole, kuid nende tuvastamine oli osutunud raskesti teostatavaks alles varem, 2018. aastal. Keskmise musta augu lahendamine on ülesanne, milleni võib tõusta ainult horisontaalürituse Event (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

Ilmselt pole meil ressursse, mis sellise seadme ehitamiseks võimelised oleks! Kuid meil on järgmine parim asi: võime ehitada terve rida teleskoope. Kui teil on palju teleskoope, saate ainult üksikute teleskoopide valguse kogumise jõu kokku võtta. Kuid kui lahutusvõime on õigesti tehtud, võimaldab see teil näha objekte nii peenelt kui kõige kaugemate teleskoopide vahe.

Teisisõnu, valguse kogumist piirab teleskoobi suurus tõesti. Kuid lahutusvõimet, kui kasutame pika nulljoonega interferomeetria tehnikat (või selle nõo, väga pika nulljoonega interferomeetriat), saab tohutult parandada, kasutades selleks teleskoopide massiivi, mille vahel on palju ruumi.

Vaade erinevatele teleskoopidele, mis aitavad kaasa sündmuse Horisondi teleskoobi kuvamisvõimalustele ühest Maa poolkerast. Aastatel 2011–2017 kogutud andmed peaksid võimaldama meil nüüd luua pildi Ambur A * -st ja võimalik, et ka mustast august M87 keskel. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

Event Horizon Telescope on 15–20 teleskoobiga võrk, mis paikneb paljudel erinevatel maailmajagudel Maa lõunapoolusel Euroopasse, Lõuna-Ameerikasse, Aafrikasse, Põhja-Ameerikasse, Austraaliasse ja paljudele Vaikse ookeani saartele. Kokkuvõttes eraldab kuni 12 000 kilomeetrit kõige kaugemaid teleskoope, mis on massiivi osa.

See tähendab 15 mikroarkesekundi (μas) eraldusvõimet, mis on, kui kärbes meile siin Maa peal ilmuks, kui see asuks 400 000 kilomeetri kaugusel: Kuul.

Maalt vaadatuna suuruselt teine ​​must auk, galaktika M87 keskel asuv auk, on siin kolmes vaates. Vaatamata 6,6 miljardi Päikese massile on see üle 2000 korra kaugemal kui Ambur A *. Võib-olla pole see EHT-ga lahendatav, kuid kui Universum on lahke, saame sellest ju pildi. (ÜLEM, OPTILINE, HÕBELISE KOSMOSEGA TELESKOOP / NASA / WIKISKY; ALASEM VASAK, RADIO, NRAO / VÄGA SUUR ARRAY (VLA); Alumine parem, röntgenikiirgus, NASA / CHANDRA X-RAY TELESKOOPP)

Muidugi ei pruugi Kuul olla kärbseid, kuid Universumis on mustad augud, mille nurga suurus on suurem kui 15 μas. Neid on tegelikult kaks: Ambur A * Linnutee keskel ja must auk M87 keskpunktis. M87 kesklinnas asuv must auk asub umbes 50–60 miljoni valgusaasta kaugusel, kuid see tuleb sisse enam kui 6 miljardi päikesemassi juures, muutes selle enam kui 1000 korda suuremaks kui meie galaktika hiiglaslik must auk.

Event Horizon Telescope töötab, võttes selle tohutu hulga raadioteleskoope ja jälgides neid mustaid auke üheaegselt, mis võimaldab meil rekonstrueerida ülikõrge eraldusvõimega pildi kõigest, mida me vaatame, niikaua kui selle nägemiseks on kogutud piisavalt valgust . Seda kontseptsiooni on varem demonstreeritud mitmetes vaatluskeskustes, näiteks suure binokulaarse teleskoobi abil, mis suutis Jupiteri Kuul, Io purskavaid vulkaane pildistada, samal ajal kui see oli teise Jupiteri kuu varjutanud!

Jupiteri kuu Io, mille purskavate vulkaanide Loki ja Pele okupatsioon on Europa poolt varjatud, mis on sellel infrapunapildil nähtamatu. GMT pakub märkimisväärselt täiustatud eraldusvõimet ja pildindust. (LBTO)

Event Horizon Teleskoobi toimimise võti on siis veenduda, et kogume piisavalt valgust, et näha musta augu sündmuse horisondi poolt heidetud varju, samal ajal edukalt pildistades selle ümbrusest ja tagant tulevat valgust. Mustad augud kiirendavad ainet, pidage meeles, ja laetud osakeste kiirendus loob nii magnetväljad kui - kui laetud osakesed kiirenevad magnetväljade juuresolekul - kiirguse emissioon.

Kindel panus on vaadata spektri raadioosa, mis on madalaima energiaga osa. Eeldatakse, et kõik mustad augud, mis kiirendavad ainet, kiirgavad raadiolaineid ja me oleme neid näinud nii meie Linnutee keskusest kui ka M87 keskusest. Erinevus on see, et nendel uutel kõrgetel resolutsioonidel peaksime suutma märgata tühimikku, kus asub sündmuse horisont ise.

Atacama suurte millimeetrite / alammillimeetrite massiiv, nagu on pildistatud Magellaani pilvede kohal. ALMA osana aitab suur hulk üksteisega lähestikku asetsevaid nõusid luua paljudes piirkondades kõige detailsemaid pilte, samas kui väiksem arv kaugemaid roogasid aitab heledamates kohtades detaile täpsustada. (ESO / C. MALIN)

Tehnoloogiline revolutsioon, mis peaks võimaldama neid pilte üles ehitada, on ALMA *: Atacama suurte millimeetrite / alammillimeetrite massiiv. Uskumatu võrk, mis koosneb 66 raadioteleskoobist, mis kõik ise on tohutud (vt ülalpool), mõõdab seda pika lainepikkusega valgust, et paljastada astronoomilisi detaile nagu kunagi varem. Juba ALMA on meile näidanud pilte tolmustest ketastest, mis moodustuvad äsja moodustuvate tähtede ümber, koos tõenditega imikute planeetide moodustumisest (rõngakujuliste lünkadena kettal). ALMA suudab ultra-kaugeid galaktikaid pildistada paremal viisil, isegi kui Hubble suudab paljastada, ning on leidnud molekulaarsed gaasi signatuurid ja sisemised pöörded.

Kuid võib-olla on selle suurimaks teaduslikuks kingituseks kogu teave, mida ta kogub neid ülimagusaid musti auke ümbritsevast valgust. Piisavalt kiire (ja õiget tüüpi) andmete kirjutamine piisavalt kiiresti ja nende analüüsimiseks piisava arvutusvõimega koondamine on alles nüüd esimest korda võimalik.

Kaks võimalikku mudelit, mis sobivad sündmuse horisontaalteleskoobi seniste andmetega, on juba varasem, 2018. aasta seisuga. Mõlemad näitavad keskpunkti asümmeetrilist sündmuste horisonti, mis on suurendatud Schwarzschildi raadiusega võrreldes, kooskõlas Einsteini üldise relatiivsuse prognoosidega. Täispilti pole avalikkusele veel avaldatud. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Mida toob 2019. aasta, kui kõigi 27 petabaiti andmed (kõigist neid mustaid auke vaatavate vaatluskeskuste andmetest), mis on kokku koondatud, on täielikult analüüsitud? Kas sündmuse horisont ilmub nii, nagu üldrelatiivsus ennustab? Testimiseks on mõned uskumatud asjad:

  • kas must auk on õige suurusega, nagu ennustas üldine relatiivsus;
  • kas sündmuse horisont on ümmargune (nagu ennustatud) või laieneb või laieneb selle asemel,
  • kas raadioemissioonid ulatuvad kaugemale, kui me arvasime,
  • või kas on mingeid muid kõrvalekaldeid oodatavast käitumisest.
Viis erinevat üldrelatiivsusteooria simulatsiooni, kasutades musta augu akretsioonketta ketta magnetohüdrodünaamilist mudelit ja kuidas raadiosignaal selle tulemusel välja näeb. Pange kõigisse eeldatavatesse tulemustesse sündmuse horisondi selge allkiri. (GRMHD SGR A * SÜNDMUSTE HORIZONI TELESKOOPPILT KUJUTATAVATE VAHETLIKKUSE MUUTMISEGA SEOTUD GRMHD-i simulatsioonid, ARXIV: 1601.06799)

Ehkki Event Horizon Telescope meeskond on tuvastanud meie galaktika keskmes oleva musta augu ümber oleva struktuuri, pole meil ikkagi otsest pilti. See nõuab meie atmosfääri ja selles toimuvate muutuste mõistmist, andmete ühendamist ja uudsete algoritmide kirjutamist nende ühiseks töötlemiseks. See on pooleli olev töö, kuid 2019. aasta esimene pool peaks kätte jõudma esimesed esimesed pildid. Mõni meist lootis piltidele sel aastal või isegi eelmisel aastal, kuid kõige olulisem on, et selle paremaks muutmiseks kulutataks aega ja hoolt.

Kui need pildid lõpuks jõuavad, pole enam kahtlust, kas mustad augud on olemas ja kas need eksisteerivad omadustega, mida Einsteini suurim teooria ennustab. 2019. aasta on sündmuste horisondi aasta ja esimest korda kogu ajaloo jooksul saame lõpuks lõplikult teada, millised need välja näevad.

* - täielik avalikustamine: autor viib piiratud ringreisil Tšiilisse, mis hõlmab külastust ALMA-sse, teleskoobi massiivi, mis on selle pildi andmete kogumisel abiks, 2019. aasta novembris. (Vahed on endiselt saadaval.) Ta ei saanud ühtegi selle tüki väliskompensatsioon.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".