Η μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας, που προσομοιώνεται εδώ, είναι η μεγαλύτερη που φαίνεται από τη γη. Το Τηλεσκόπιο Event Horizon θα πρέπει, φέτος, να βγει με την πρώτη εικόνα του πώς φαίνεται ο ορίζοντας της κεντρικής μαύρης τρύπας. Ο λευκός κύκλος αντιπροσωπεύει την ακτίνα Schwarzschild της μαύρης τρύπας. (UTE KRAUS, ΟΜΑΔΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ KRAUS, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ HILDESHEIM; ΙΣΤΟΡΙΚΟ: AXEL MELLINGER)

Το επιστημονικό επίτευγμα της χρονιάς του 2019 θα μας δείξει το Horizon του Black Hole's Event

Θα είναι το πιο ακραίο τεστ της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν ποτέ. Και έχουμε ήδη τα δεδομένα.

Με κάθε χρόνο που περνά, το συνολικό ποσό γνώσεων που συγκεντρώνει η ανθρωπότητα αυξάνεται και μεγαλώνει. Στις αρχές του 2015, η ανθρωπότητα δεν είχε ανιχνεύσει ποτέ ένα βαρυτικό κύμα. Προς το παρόν, εντοπίσαμε 11, και περιμένουμε να βρούμε εκατοντάδες ακόμη το 2019. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, δεν γνωρίζαμε εάν υπήρχαν πλανήτες έξω από το δικό μας Ηλιακό Σύστημα. Σήμερα, έχουμε χιλιάδες, μερικά από τα οποία είναι αρκετά καλά για να θεωρηθούν σαν γη.

Βρήκαμε όλα τα σωματίδια στο πρότυπο μοντέλο. ανακαλύψαμε ότι το Σύμπαν όχι μόνο επεκτείνεται, αλλά επιταχύνεται. έχουμε προσδιορίσει πόσους γαλαξίες υπάρχουν στο Σύμπαν. Αλλά το επόμενο έτος, κάτι νέο και άνευ προηγουμένου πρόκειται να συμβεί: πρόκειται να φανταστούμε για πρώτη φορά τον ορίζοντα εκδήλωσης μιας μαύρης τρύπας. Τα δεδομένα είναι ήδη διαθέσιμα. τα υπόλοιπα είναι θέμα χρόνου.

Οι μαύρες τρύπες είναι αρκετά εύκολα αντικείμενα που εντοπίζονται, μόλις ξέρετε τι ψάχνετε. Μπορεί να φαίνεται αντίθετο, επειδή δεν εκπέμπουν κανένα δικό τους φως, αλλά έχουν τρεις σίγουρες υπογραφές που μας επιτρέπουν να γνωρίζουμε ότι είναι εκεί.

  1. Οι μαύρες τρύπες δημιουργούν τεράστια βαρύτητα - παραμόρφωση / καμπυλότητα του χώρου - σε πολύ μικρό όγκο χώρου. Εάν μπορούμε να παρατηρήσουμε τα βαρυτικά αποτελέσματα μιας μεγάλης, συμπαγούς μάζας, μπορούμε να συμπεράνουμε την ύπαρξη μιας μαύρης τρύπας και ενδεχομένως να μετρήσουμε τη μάζα της.
  2. Οι μαύρες τρύπες επηρεάζουν έντονα το περιβάλλον που τους περιβάλλει. Οποιοδήποτε ζήτημα κοντά σας δεν θα βιώσει μόνο έντονες παλιρροιακές δυνάμεις, αλλά θα επιταχυνθεί και θα θερμανθεί, προκαλώντας να εκπέμπει ακτινοβολία έξω από τον ορίζοντα του συμβάντος. Όταν εντοπίζουμε αυτήν την ακτινοβολία, μπορούμε να ανακατασκευάσουμε τις ιδιότητες του αντικειμένου που το τροφοδοτεί, το οποίο συχνά μπορεί να εξηγηθεί μόνο από μια μαύρη τρύπα.
  3. Οι μαύρες τρύπες μπορούν να εμπνεύσουν και να συγχωνευτούν, προκαλώντας τους να εκπέμπουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα για σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτό είναι δυνατό μόνο να ανιχνευθεί με τη νέα επιστήμη της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων.
Το πιο απομακρυσμένο τζετ ακτίνων Χ στο Σύμπαν, από το κβάζαρ 1428 GB, είναι περίπου η ίδια απόσταση και ηλικία, όπως φαίνεται από τη Γη, με το κβάζαρ S5 0014 + 81, το οποίο στεγάζει πιθανώς τη μεγαλύτερη γνωστή μαύρη τρύπα στο Σύμπαν. Αυτά τα μακρινά μεγαθήρια πιστεύεται ότι ενεργοποιούνται από συγχωνεύσεις ή άλλες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις, αλλά μόνο οι μαύρες τρύπες με τις μεγαλύτερες αναλογίες μάζας-απόστασης είναι ότι το Event Horizon Telescope θα έχει την ευκαιρία να επιλύσει. (X-RAY: NASA / CXC / NRC / C. CHEUNG ET AL, OPTICAL: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Το Τηλεσκόπιο Event Horizon, ωστόσο, στοχεύει να προχωρήσει ένα βήμα πιο μακριά από οποιαδήποτε από αυτές τις μεθόδους. Αντί να λαμβάνουμε μετρήσεις που μας επιτρέπουν να συνάγουμε έμμεσα ιδιότητες μιας μαύρης τρύπας, πηγαίνει κατευθείαν στην καρδιά του θέματος και σχεδιάζει να απεικονίσει άμεσα τον ορίζοντα της μαύρης τρύπας.

Η μέθοδος για αυτό είναι απλή και απλή, αλλά δεν ήταν δυνατή από τεχνολογική προοπτική μέχρι πολύ πρόσφατα. Ο λόγος για τον οποίο είναι ένας συνδυασμός δύο σημαντικών παραγόντων που συνήθως συμβαδίζουν στην αστρονομία: ανάλυση και συλλογή φωτός.

Επειδή οι μαύρες τρύπες είναι τόσο συμπαγή αντικείμενα, πρέπει να πάμε σε εξαιρετικά υψηλή ανάλυση. Αλλά επειδή δεν αναζητούμε το ίδιο το φως, αλλά την απουσία του φωτός, πρέπει να συλλέξουμε πολύ προσεκτικά μεγάλες ποσότητες φωτός για να προσδιορίσουμε πού βρίσκεται πραγματικά η σκιά του ορίζοντα του γεγονότος.

Ο προσανατολισμός του δίσκου προσαύξησης είτε με την όψη προς τα πάνω (δύο αριστερά πλαίσια) είτε με την άκρη (δεξιά δύο πλαίσια) μπορεί να αλλάξει σε μεγάλο βαθμό τον τρόπο με τον οποίο εμφανίζεται η μαύρη τρύπα. («ΠΡΟΣ ΤΟ ΟΡΙΖΟΝΤΟΣ ΕΚΔΗΛΩΣΗΣ - Η ΥΠΕΡΒΑΣΗ ΜΑΥΡΗ ΤΡΙΠΗ ΣΤΟ ΓΑΛΑΚΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ», ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ, ΚΟΣΜΗΜΑΤΑ GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

Συμβατικά, ένα τηλεσκόπιο με καλύτερη ανάλυση και ένα τηλεσκόπιο με καλύτερη ισχύ συγκέντρωσης φωτός θα πρέπει να είναι το ίδιο τηλεσκόπιο. Η ανάλυση του τηλεσκοπίου σας καθορίζεται από τον αριθμό των μηκών κύματος του φωτός που ταιριάζουν στο πιάτο του τηλεσκοπίου σας, έτσι τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια έχουν υψηλότερη ανάλυση.

Με τον ίδιο τρόπο, η ποσότητα φωτός που μπορείτε να συλλέξετε καθορίζεται από την περιοχή του τηλεσκοπίου σας. Τυχόν φωτονία που χτυπούν το τηλεσκόπιο θα συλλεχθούν, οπότε όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή του τηλεσκοπίου σας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς συγκέντρωσης φωτός που έχετε.

Ο λόγος που η τεχνολογία υπήρξε περιοριστικός παράγοντας είναι η ανάλυση. Το μέγεθος που φαίνεται να είναι μια μαύρη τρύπα είναι ανάλογο με τη μάζα του, αλλά αντιστρόφως ανάλογο με την απόστασή του από εμάς. Για να δείτε τη μεγαλύτερη μαύρη τρύπα από την προοπτική μας - τον Τοξότη A *, που βρίσκεται στο κέντρο του Γαλαξία - απαιτείται ένα τηλεσκόπιο περίπου του μεγέθους του πλανήτη Γη.

Πολλά αστέρια έχουν εντοπιστεί κοντά στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στον πυρήνα του Γαλαξία. Εκτός από αυτά τα αστέρια και το αέριο και τη σκόνη που βρίσκουμε, αναμένουμε να υπάρχουν πάνω από 10.000 μαύρες τρύπες μέσα σε λίγα χρόνια φωτός του Τοξότη A *, αλλά η ανίχνευσή τους είχε αποδειχθεί αόριστη μέχρι νωρίτερα το 2018. Επίλυση της κεντρικής μαύρης τρύπας είναι μια εργασία στην οποία μπορεί να ανέλθει μόνο το Τηλεσκόπιο Event Horizon. (SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

Προφανώς δεν έχουμε τους πόρους που μπορούν να κατασκευάσουν μια τέτοια συσκευή! Αλλά έχουμε το επόμενο καλύτερο πράγμα: τη δυνατότητα κατασκευής μιας σειράς τηλεσκοπίων. Όταν έχετε μια σειρά από τηλεσκόπια, παίρνετε μόνο τη δύναμη συγκέντρωσης φωτός των μεμονωμένων τηλεσκοπίων όλα αθροισμένα. Αλλά η ανάλυση, εάν γίνει σωστά, θα σας επιτρέψει να δείτε αντικείμενα τόσο ωραία όσο το διάστημα μεταξύ των πιο απομακρυσμένων τηλεσκοπίων.

Με άλλα λόγια, η συλλογή φωτός περιορίζεται πραγματικά από το μέγεθος του τηλεσκοπίου. Ωστόσο, η ανάλυση, εάν χρησιμοποιούμε την τεχνική της ιντερφερομετρίας μακράς γραμμής (ή ο ξάδελφός της, η ιντερφερομετρία πολύ μεγάλης γραμμής), μπορεί να βελτιωθεί σε μεγάλο βαθμό χρησιμοποιώντας μια σειρά τηλεσκοπίων με μεγάλο χώρο μεταξύ τους.

Μια άποψη των διαφορετικών τηλεσκοπίων που συμβάλλουν στις δυνατότητες απεικόνισης του Event Horizon Telescope από ένα από τα ημισφαίρια της Γης. Τα δεδομένα που ελήφθησαν από το 2011 έως το 2017 θα μας επιτρέψουν να κατασκευάσουμε τώρα μια εικόνα του Τοξότη Α *, και πιθανώς και της μαύρης τρύπας στο κέντρο του M87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

Το Event Horizon Telescope είναι ένα δίκτυο τηλεσκοπίων 15-20 που βρίσκεται σε πολλές διαφορετικές ηπείρους στη Γη, από τον Νότιο Πόλο έως την Ευρώπη, τη Νότια Αμερική, την Αφρική, τη Βόρεια Αμερική, την Αυστραλία και ορισμένα νησιά στον Ειρηνικό Ωκεανό. Συνολικά, έως και 12.000 χιλιόμετρα χωρίζει τα πιο μακρινά τηλεσκόπια που αποτελούν μέρος της συστοιχίας.

Αυτό μεταφράζεται σε μια ανάλυση τόσο μικρή όσο 15 μικροτρ. Δευτερολέπτων (μas), που είναι το πόσο μικρή μια μύγα θα μας έδειχνε εδώ στη Γη αν ήταν 400.000 χιλιόμετρα μακριά: στη Σελήνη.

Η δεύτερη μεγαλύτερη μαύρη τρύπα όπως φαίνεται από τη Γη, η οποία βρίσκεται στο κέντρο του γαλαξία M87, εμφανίζεται σε τρεις προβολές εδώ. Παρά τη μάζα των 6,6 δισεκατομμυρίων Ήλιων, είναι πάνω από 2000 φορές πιο μακριά από τον Τοξότη Α *. Μπορεί ή όχι να επιλυθεί από το EHT, αλλά αν το Σύμπαν είναι ευγενικό, θα έχουμε τελικά μια εικόνα. (TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Μπορεί να μην υπάρχουν μύγες στη Σελήνη, φυσικά, αλλά υπάρχουν μαύρες τρύπες εκεί έξω στο Σύμπαν με γωνιακά μεγέθη που είναι μεγαλύτερα από 15 μas. Υπάρχουν δύο από αυτά, στην πραγματικότητα: Ο Τοξότης A * στο κέντρο του Γαλαξία, και η μαύρη τρύπα στο κέντρο του M87. Η μαύρη τρύπα στο κέντρο του M87 βρίσκεται περίπου 50-60 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, αλλά έρχεται σε πάνω από 6 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, καθιστώντας την περισσότερο από 1.000 φορές μεγαλύτερη από τη γιγαντιαία μαύρη τρύπα του γαλαξία μας.

Το Event Horizon Telescope λειτουργεί λαμβάνοντας αυτή την τεράστια σειρά ραδιο τηλεσκοπίων και παρατηρώντας ταυτόχρονα αυτές τις μαύρες τρύπες, γεγονός που μας επιτρέπει να ανακατασκευάσουμε μια εικόνα εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης από οτιδήποτε κοιτάζουμε, αρκεί να υπάρχει αρκετό φως για να το δει . Αυτή η ιδέα έχει αποδειχθεί στο παρελθόν με μια ποικιλία παρατηρητηρίων, όπως το Μεγάλο Διοφθαλμικό Τηλεσκόπιο, το οποίο κατάφερε να απεικονίσει ηφαίστεια που εκρήγνυνται στο φεγγάρι του Δία, Io, ενώ έκλεισε από ένα άλλο φεγγάρι του Δία!

Η απόκρυψη του φεγγαριού του Δία, Ιω, με τα ηφαίστεια που εκρήγνυνται Λόκι και Πέλε, όπως αποκρύφθηκε από την Ευρώπη, η οποία είναι αόρατη σε αυτήν την υπέρυθρη εικόνα. Το GMT θα προσφέρει σημαντικά βελτιωμένη ανάλυση και απεικόνιση. (LBTO)

Το κλειδί για να λειτουργήσει το τηλεσκόπιο Event Horizon, είναι, λοιπόν, να διασφαλίσουμε ότι συγκεντρώνουμε αρκετό φως για να δούμε τη σκιά που εκπέμπει ο ορίζοντας της μαύρης τρύπας, ενώ απεικονίζει με επιτυχία το φως που έρχεται από γύρω και πίσω από αυτό. Οι μαύρες τρύπες επιταχύνουν την ύλη, θυμάστε, και η επιτάχυνση των φορτισμένων σωματιδίων δημιουργεί μαγνητικά πεδία και - εάν τα φορτισμένα σωματίδια επιταχύνουν παρουσία μαγνητικών πεδίων - η εκπομπή ακτινοβολίας.

Το ασφαλέστερο στοίχημα είναι να κοιτάξετε στο ραδιοφωνικό τμήμα του φάσματος, το οποίο είναι το τμήμα χαμηλότερης ενέργειας. Όλες οι μαύρες τρύπες που επιταχύνουν την ύλη αναμένεται να εκπέμπουν ραδιοκύματα και τα έχουμε δει τόσο από το κέντρο του Γαλαξία μας όσο και από το κέντρο του M87. Η διαφορά είναι, σε αυτές τις νέες, υψηλές αναλύσεις, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε το "κενό" όπου βρίσκεται ο ίδιος ο ορίζοντας του γεγονότος.

Το Atacama Large Millimeter / submillimetre Array, όπως φωτογραφήθηκε με τα σύννεφα του Μαγγελάνου. Ένας μεγάλος αριθμός πιάτων από κοντά, ως μέρος του ALMA, βοηθά στη δημιουργία πολλών από τις πιο λεπτομερείς εικόνες σε περιοχές, ενώ ένας μικρότερος αριθμός πιο απομακρυσμένων πιάτων βοηθά στην ακρίβεια στις λεπτομέρειες στις πιο φωτεινές τοποθεσίες. (ESO / Γ. ΜΑΛΙΝ)

Η τεχνολογική επανάσταση που πρέπει να επιτρέψει την κατασκευή αυτών των εικόνων είναι το ALMA *: το Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array. Ένα απίστευτο δίκτυο 66 ραδιοτηλεσκοπίων, όλα από τα οποία είναι τεράστια (βλέπε παραπάνω), μετρούν αυτό το φως μήκους κύματος για να αποκαλύψουν αστρονομικές λεπτομέρειες όπως ποτέ άλλοτε. Ήδη η ALMA μας έχει δείξει εικόνες των σκονισμένων δίσκων γύρω από αστέρια που σχηματίζονται πρόσφατα, με στοιχεία για τους πλανήτες των βρεφών (ως κενά σαν δίσκοι στο δίσκο) που σχηματίζονται στο εσωτερικό. Η ALMA μπορεί να απεικονίσει εξαιρετικά απομακρυσμένους γαλαξίες με ανώτερο τρόπο από ό, τι μπορεί να αποκαλύψει ακόμη και το Hubble και έχει βρει μοριακές υπογραφές αερίου και εσωτερικές περιστροφές.

Αλλά ίσως το μεγαλύτερο επιστημονικό του δώρο θα είναι όλες οι πληροφορίες που συλλέγει από το φως που περιβάλλει αυτές τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Η καταγραφή αρκετών (και των σωστών ειδών) δεδομένων, αρκετά γρήγορη και έπειτα η συγκέντρωσή τους με αρκετή υπολογιστική ισχύ για την ανάλυσή τους, είναι μόνο τώρα, για πρώτη φορά, δυνατή.

Δύο από τα πιθανά μοντέλα που μπορούν να ταιριάξουν με επιτυχία τα δεδομένα του Τηλεσκοπίου Event Horizon μέχρι στιγμής, από το νωρίτερο του 2018. Και τα δύο δείχνουν έναν ασύμμετρο ορίζοντα γεγονότος εκτός κέντρου που διευρύνεται έναντι της ακτίνας Schwarzschild, σύμφωνα με τις προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Μια πλήρης εικόνα δεν έχει ακόμη κυκλοφορήσει στο ευρύ κοινό. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Τι θα φέρει λοιπόν το 2019, όταν και τα 27 Petabytes δεδομένων (από όλα τα διαφορετικά παρατηρητήρια που βλέπουν αυτές τις μαύρες τρύπες), που έχουν συγκεντρωθεί, αναλυθούν πλήρως; Θα εμφανιστεί ο ορίζοντας του συμβάντος όπως προβλέπει η Γενική Σχετικότητα; Υπάρχουν μερικά απίστευτα πράγματα που πρέπει να δοκιμάσετε:

  • αν η μαύρη τρύπα έχει το σωστό μέγεθος όπως προβλέπει η Γενική Σχετικότητα,
  • αν ο ορίζοντας του συμβάντος είναι κυκλικός (όπως προβλεπόταν), ή αντίθετος ή επιμηκυνμένος,
  • αν οι εκπομπές ραδιοφώνου εκτείνονται μακρύτερα από όσο νομίζαμε,
  • ή εάν υπάρχουν άλλες αποκλίσεις από την αναμενόμενη συμπεριφορά.
Πέντε διαφορετικές προσομοιώσεις στη γενική σχετικότητα, χρησιμοποιώντας ένα μαγνητοϋδροδυναμικό μοντέλο του δίσκου αύξησης της μαύρης τρύπας, και πώς θα φαίνεται το ραδιοφωνικό σήμα. Σημειώστε τη σαφή υπογραφή του ορίζοντα συμβάντων σε όλα τα αναμενόμενα αποτελέσματα. (Προσομοιώσεις GRMHD ΠΟΛΙΤΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΟΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΕΚΔΗΛΩΣΕΙΣ HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

Αν και η ομάδα του Τηλεσκοπίου Event Horizon εντόπισε δομή γύρω από τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας, δεν έχουμε ακόμα άμεση εικόνα. Αυτό απαιτεί την κατανόηση της ατμόσφαιρας μας και τις αλλαγές που συμβαίνουν μέσα σε αυτό, το συνδυασμό των δεδομένων και τη σύνταξη νέων αλγορίθμων για την από κοινού επεξεργασία τους. Είναι ένα έργο σε εξέλιξη, αλλά το πρώτο εξάμηνο του 2019 είναι όταν πρέπει να φτάσουν οι τελικές, πρώτες εικόνες. Μερικοί από εμάς ελπίζαμε για τις εικόνες φέτος ή ακόμη και πέρυσι, αλλά είναι πιο σημαντικό να αφιερώσουμε το χρόνο και τη φροντίδα για να το κάνουμε σωστό.

Όταν φτάσουν αυτές οι εικόνες, δεν θα υπάρχει πλέον αμφιβολία για το εάν υπάρχουν μαύρες τρύπες και αν υπάρχουν με τις ιδιότητες που προβλέπει η μεγαλύτερη θεωρία του Αϊνστάιν. Το 2019 θα είναι η χρονιά του ορίζοντα της εκδήλωσης και για πρώτη φορά σε όλη την ιστορία, θα ξέρουμε τελικά, τελικά, πώς μοιάζουν.

* - Πλήρης αποκάλυψη: ο συγγραφέας θα οδηγήσει μια περιοδεία περιορισμένου χώρου στη Χιλή, η οποία περιλαμβάνει μια επίσκεψη στην ALMA, τη συστοιχία τηλεσκοπίων που θα συμβάλει στη συλλογή των δεδομένων για αυτήν την εικόνα, τον Νοέμβριο του 2019. (Οι χώροι εξακολουθούν να είναι διαθέσιμοι.) εξωτερική αποζημίωση για αυτό το κομμάτι.

Το Starts With A Bang είναι τώρα στο Forbes και αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Ο Ethan έχει συγγράψει δύο βιβλία, το Beyond The Galaxy και το Treknology: The Science of Star Trek από το Tricorder στο Warp Drive.