Kõige nähtavam must auk, nagu on näidatud filmis Interstellar, näitab ennustatava sündmuse horisonti üsna täpselt pöörlevate mustade aukude klassi jaoks. Sügavas gravitatsioonikaevus möödub aeg vaatlejatele teistsuguse kiirusega kui meie jaoks kaugel sellest väljaspool. Event Horizon Telescope loodetavasti paljastab esmakordselt musta augu sündmuse horisondi ümbritsevad heited. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

6 ülimaitsvat küsimust Horisoni teleskoobi suure kuulutuse eelõhtul

Milline peaks olema must auk? Meie teoreetilised ennustused vastavad meie esimestele tähelepanekutele.

Teaduses pole ükski hetk põnevam kui siis, kui jõuate juba pikkade teoreetiliste ennustustega vastamisi esimeste vaatlus- või eksperimentaalsete tulemustega. Selle kümnendi alguses paljastas suur hadronite põrkaja Higgsi bosoni olemasolu, mis on standardmudeli viimane avastamata põhiosake. Mõni aasta tagasi tuvastas LIGO koostöö otseselt gravitatsioonilaineid, kinnitades Einsteini üldise relatiivsuse kauakestvat ennustust.

Ja vaid mõne päeva pärast, 10. aprillil 2019, teeb Event Horizon Telescope väga oodatud teadaande, kus loodetakse vabastada kõigi aegade esimene pilt musta augu sündmushorisondist. 2010. aastate alguses oleks selline tähelepanek olnud tehnoloogiliselt võimatu. Kuid mitte ainult me ​​ei näe, kuidas must auk tegelikult välja näeb, vaid proovime katsetada ka ruumi, aja ja raskusjõu põhilisi omadusi.

Mis tahes objekti kuvamiseks universumis peate vastama kahele järgmisele väljakutsele:

  1. Sihtmärgi nägemiseks peate koguma piisavalt valgust ja paljastama selle üksikasjad nii teie instrumentide kui ka teiste huvipakkuva objekti läheduses asuvate objektide taustmüra taustal.
  2. Vaadatava objekti struktuuri kuvamiseks on vaja piisavalt eraldusvõimet (või eraldusvõimet), vastasel juhul piirduvad kõik teie andmed ühe piksliga.

Nii et kui soovite pildistada musta augu sündmuse horisonti, peate mõlemad koguma piisavalt valgust, et musta augu ümbritsev kiirgus eristuks ülejäänud keskkonnast, ja proovima ka nurga skaalasid, mis on sündmuse läbimõõdust kitsamad silmapiir ise.

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. Tervikpilti pole üldsusele veel avaldatud, kuid see on oodata vaid mõne päeva pärast 2019. aastal (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Ainus viis, kuidas meil neid mõlemaid teha, on tohutu, ülitundliku raadioteleskoopide komplekt, mis jälgib suurimaid mustad augud nurga suuruse poolest ja on Maalt nähtavad. Mida massiivsem on teie must auk, seda suurem on selle sündmuse horisondi läbimõõt, kuid see jääb sõltuvalt kaugusest väiksemaks. See tähendab, et suurim must auk on Ambur A *, ülimaine Linnutee keskel, teine ​​suurim on ultramassiivne galaktika M87 keskosas, umbes 60 miljoni valgusaasta kaugusel.

Ehkki ühe tassi raadioteleskoobid suudavad tuvastada kummagi heite - st neil on piisavalt valgust koguvat jõudu -, ei suuda nad sündmuse horisonti lahendada. Kuid terve rida teleskoope, mis kõik koos märklauda jälgivad, võivad meid sinna viia.

Vaade erinevatele teleskoopidele ühest Maakera poolkerast, mis aitab kaasa sündmuse Horisondi teleskoobi kuvamisvõimalustele. Aastatel 2011–2017 (eriti 2017. aastal) võetud 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)

Mustad augud peaksid olema ümbritsetud mateeriast, mis on aeglaselt söömas. See materjal hajutatakse musta augu väliskülgedele, keerleb ümber, kuumeneb ja eraldab kiirguse, kui see sisse kukub. See kiirgus peaks jõudma spektri raadiosse ja olema piisavalt tundliku teleskoobiga maatriksis.

Event Horizon Telescope (EHT) on täpselt see raadiosüsteem, mida me vajame - koos kõige vapustavamate edusammudega, mis tulenevad ALMA lisamisest Lõuna-Ameerikasse -, et mitte ainult raadioinfot koguda, vaid ka selle ülemäärase eraldusvõime saamiseks. EHT koosneb arvukatest üksikutest roogadest, millel on piisavalt kombineeritud valguse kogumise võime, et paljastada musta auku ümbritsev kiirgus, kusjuures roogade vahelised kaugused tagavad eraldusvõime, mis on vajalik sündmuse horisondi enda kuvamiseks.

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. ALMA lisamine sündmuse horisondi teleskoobile on see, mis võimaldab sündmushorisondist pildi ehitada. (ESO / C. MALIN)

Oleme seda tehnikat juba varem kasutanud pika interferomeetria abil, et paljastada detaile, mis oleksid isegi tohutu ühe tassi teleskoobiga nähtamatud. Kuni funktsioonid, mida proovite jälgida, on piisavalt eredad ja kuvatakse teleskoopides, mida kasutate vaatluste üheaegseks tegemiseks, võite saavutada kujutise eraldusvõime, mis vastab teleskoopide vahekaugusele, mitte nende läbimõõdule. üksikud teleskoobid ise.

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)

Kõige tähelepanuväärsemalt on seni Jupiteri Kuu Io pinnal purskavate vulkaanide pildistamiseks kasutatud teleskoobimassiive, isegi sel hetkel, kui Io langeb Jupiteri kuude teise varju.

EHT kasutab seda täpselt sama mõtet, et mõõta kiirgust, mis tuleb Maalt vaadatuna suurimate nurkade läbimõõduga mustade aukude ümber. Siin on kuus asja, mida võime proovida esmapiltide ilmumisel.

Siin Linnutee keskmes olev must auk, mida siin simuleeritakse, on Maa vaatevinklist suurim. Event Horizon teleskoop peaks 10. aprillil 2019 ilmuma koos oma esimese pildiga, kuidas see keskse musta auku sündmuste horisont välja näeb, samas kui M87 keskmes asuv teine, suuruselt teine, võiks selle tehnoloogiaga samuti nähtav olla. . Valge ring tähistab musta augu Schwarzschildi raadiust, samal ajal kui pimedas piirkonnas ei tohiks selle ümbruse orbiitide ebastabiilsuse tõttu emissiooni olla. (UTE KRAUS, FÜÜSIKAALASTE HARIDUSRÜHM KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; TAUST: AXEL MELLINGER)

1.) Kas mustade aukude suurus on õige, mida üldine relatiivsus ennustab? Einsteini teooria kohaselt, mis põhineb Linnutee keskpunkti musta augu mõõdetud gravitatsioonilisel massil, peaks sündmuse horisondi läbimõõt olema 11 mikro-kaaresekundit (μas), kuid 37 μs piires ei tohiks tekkida ühtegi heidet. , tulenevalt asjaolust, et selle nurga läbimõõdu piires peaks aine kiiresti spiraalselt ainsuse suunas liikuma. Eraldusvõimega 15 μas peaks EHT nägema horisonti ja mõõtma, kas suurus vastab meie ennustustele või mitte. See saab olema vapustav üldrelatiivsuse test.

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))

2.) Kas akretsioonkettad on joondatud musta augu, hostgalaktikaga või juhuslikult? Me pole kunagi varem akordimisketast täheldanud ja tegelikult on ainus tõeline märge mustade aukude ümbritseva asendi orientatsiooni kohta järgmistel juhtudel:

  • seal on kiirgav juga, mille me mustast august tuvastame,
  • või on ümbritsevast piirkonnast pärit laiendatud heitkoguseid.

Kuid ükski neist tähelepanekutest ei asenda otsest mõõtmist. Kui need esimesed pildid välja ilmuvad, peaks EHT suutma meile öelda, kas akrüülketas on serva peal, nägu peal või muus suunas.

Mõni musta augu sündmuse horisondi võimalikest profiilisignaalidest, nagu Event Horizon teleskoobi simulatsioonid, näitavad. (KÕRGENE ANGULAAR-RESOLUTSIOON JA KÕRGETundlik TEADUS, MIDA VABASTAB KIIRGUSTATUD ALMA, V. KALAD JM., ARXIV: 1309.3519)

3.) Kas musta augu sündmuse horisont on ennustatud kujul ümmargune või on see teistsuguse kujuga? Ehkki eeldatakse, et kõik füüsiliselt realistlikud mustad augud mingil määral keerlevad, on sündmuse horisondi kuju eeldatavasti eristamatu täiusliku sfääri kujust.

Kuid ka muud kujundid on võimalikud. Mõned objektid sirguvad pöörlemisel piki ekvaatorit, luues kuju, mida nimetatakse oblateerunud sferioodiks, näiteks planeet Maa. Teised hiilivad mööda pöördetelge, mille tulemuseks on jalgpallisarnane kuju, mida nimetatakse prolaatsfääriks. Kui üldine relatiivsus on õige, on kera, mida me ootame, kuid see ei asenda kriitiliste tähelepanekute tegemist ise. Kui pildid 10. aprillil ilmuvad, peaksime oma vastused olema.

Viis erinevat üldrelatiivsusteooria simulatsiooni, kasutades musta augu akretsioonketta ketta magnetohüdrodünaamilist mudelit ja kuidas raadiosignaal selle tulemusel välja näeb. Pange tähele sündmuste horisondi selget allkirja kõigis eeldatavates tulemustes, aga ka seda, kuidas need võivad sõltuvalt turbulentsist, magnetvälja tugevusest jne detailselt erineda. (GRMHD SIGNAADI HORIZONI TELESKOOPPI SGR A * SÜSTEEMI HORIZONI TELESKOOPI MUUTMISEGA SEOTUD GRMHD-i simulatsioonid), L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

4.) Miks mustad augud põlevad? Kui must auk on mittepõlenud olekus, on olemas konkreetsed allkirjad, mida meie arvates ilmub sündmuse horisondi ümber. Kuid siis, kui must auk süttib, on erinevaid tunnuseid, mida seda ümbritsev kiirgus avaldab.

Kuid kuidas need heitkogused välja näevad? Kas on turbulentseid funktsioone, mida kuvatakse kettal kogu aeg? Kas leidub ennustatud kuumade punktide olemasolu, mis on põlevas olekus kõige nähtavamad? Kui meil õnnestub ja näeme mõnda neist allkirjadest, võiksime olla juba teel selle poole, et teada saada, miks mustad augud süttivad, lihtsalt jälgides neid ümbritsevaid laiendatud raadioemissioone. Nende tähelepanekute põhjal peaksime õppima ka lisateavet neid mustaid auke ümbritsevate magnetväljade tugevuse kohta.

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 *. EHT võib selle lahendada või mitte, kuid kui Universum on lahke, ei saa me mitte ainult pilti, vaid saame ka teada, kas röntgenkiirguse emissioon annab meile täpsed mustade aukude massihinnangud või mitte. (ÜLEM, OPTILINE, HÕBELISE KOSMOSEGA TELESKOOP / NASA / WIKISKY; ALASEM VASAK, RADIO, NRAO / VÄGA SUUR ARRAY (VLA); Alumine parem, röntgenikiirgus, NASA / CHANDRA X-RAY TELESKOOPP)

5.) Kas musta augu massi röntgenikiirgus on kallutatud madalamate väärtuste suunas? Praegu on musta augu massi tuletamiseks kahel viisil: alates selle gravitatsiooniliste mõjude mõõtmisest seda tiirlevatel tähtedel (ja muudel objektidel) ning seda tiirleva gaasi (röntgenkiirguse) emissioonides. Gaasipõhiseid mõõtmisi saame hõlpsasti teha enamiku mustade aukude jaoks, sealhulgas Linnutee keskel asuva jaoks, mis annab meile umbes 2,5–2,7 miljonit päikesemassi.

Kuid gravitatsiooniline mõõtmine on palju otsesem, vaatamata sellele, et see on suurem vaatlusprobleem. Sellegipoolest oleme seda teinud omaenda galaktikas ja järeldanud umbes 4 miljoni päikesemassi massi: umbes 50% suurem kui röntgenvaatlus näitab. Loodame täielikult, et see on sündmushorisondi suurus, mida me mõõdame. Kui M87 mõõtmised näitavad suuremat väärtust kui röntgenkiirguse emissioon näitab, võiksime teada saada, et röntgenikiirguse hinnangud on süstemaatiliselt madalad, mis näitab, et meil on mängimas uus astrofüüsika (kuid mitte uus põhifüüsika).

Linnutee tuuma juures oleva supermassiivse musta augu lähedal on avastatud suur tähtede arv. Lisaks nendele tähtedele ja gaasi ja tolmule, mida me leiame, on oodata, 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 Event Horizon Telescope ja võib siiski aja jooksul selle liikumise tuvastada. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK VAATLUS / UCLA GALAKTIKESKUSTE RÜHM)

6.) Kas me näeme, kuidas must auk aja jooksul "väriseb", nagu ennustati? See ei pruugi kohe välja tulla, eriti kui kõik, mis me nendest esialgsetest vaatlustest saame, on ühe või kahe musta augu üks pilt. Kuid üks EHT teaduseesmärke on jälgida, kuidas mustad augud aja jooksul arenevad, mis tähendab, et nad plaanivad teha mitmel ajal erinevat pilti ja rekonstrueerida neist mustadest aukudest filmi.

Tähtede ja muude masside olemasolu tõttu muutub musta augu nähtav asukoht aja jooksul märkimisväärselt, kuna see surutakse ümber gravitatsiooni. Ehkki musta augu liikumise märgatava summa jälgimiseks kulub tõenäoliselt aastaid, on meil andmeid, mis võeti pika aja jooksul vastu. Galaktikate keskpunktis võivad EHT-kujutisega mustad augud näidata selle värisemise märke: Browniani liikumise kosmilist ekvivalenti.

Meie galaktika keskel asuv ülimassiivne must auk, Ambur A *, süttib röntgenikiirguses eredalt, kui ainet on neetud. Teistes valguse lainepikkustes, alates infrapuna-raadiosidest, näeme galaktika selles sisimas osas üksikuid tähti. (Röntgen: NASA / UMASS / D.WANG ET AL., IR: NASA / STSCI)

Kriitilised tähelepanekud musta auku esimese pildi loomiseks, eeldusel, et EHT avaldab Linnutee keskuses ühe musta augu, tehti tagasi 2017. aastal: kaks täisaastat tagasi. Kogu andmekogu analüüsimiseks, puhastamiseks, tükeldamiseks, kohandamiseks ja sünteesimiseks kulub palju aega, mis võrdub kriitilise vaatluse jaoks umbes 27 petabaadiga. (Kuigi ainult umbes 15% neist andmetest on olulised ja kasutatavad pildi konstrueerimisel.)

10. aprillil kell 9:00 Ida-aja järgi (Vaikse ookeani kell 6:00) korraldab EHT koostöö pressikonverentsi, kus nad loodavad avaldada sündmuse horisondi esimese pildi ja on võimalik, et paljud - või võib-olla isegi kõik - neile küsimustele vastatakse. Olenemata tulemustest, on see füüsika ja astrofüüsika ning teaduse uue ajastu sisendaja jaoks monumentaalne samm edasi: otsetestid ja pildid musta augu sündmushorisondist endast!

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".