Teleskoper/teleskopgrupper forbundet med Event Horizon Telescope pegede på Messier 87. Sådan ser et supermassivt sort hul ud, og begivenhedshorisonten er tydeligt synlig. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Variety is not just the spice of life, but a natural consequence of living in our Universe. Gravitation, der adlyder de samme universelle love på alle skalaer, skaber klumper og klynger af stof i en enorm række kombinationer, fra spinkle gasskyer til massive stjerner, alle samlet i galakser, klynger og et stort kosmisk net.

Fra vores perspektiv på Jorden er der enormt meget at observere. Men vi kan ikke se det hele. Når de mest massive stjerner dør, bliver deres lig til sorte huller. Med så meget masse i et så lille rumvolumen kan intet – ingen signaler af nogen art – komme ud. Vi kan registrere den materie og det lys, der udsendes omkring disse sorte huller, men inden for begivenhedshorisonten slipper intet ud. I en utrolig succeshistorie for videnskaben er det netop lykkedes os at afbilde en begivenhedshorisont for første gang. Her er, hvad vi så, hvordan vi gjorde det, og hvad vi har lært.

den i midten af galaksen M87 er omkring 1000 gange større end Mælkevejens sorte hul, men er over 2000 gange længere væk. Den relativistiske stråle, der udgår fra dens centrale kerne, er en af de største og mest kollimerede stråler, der nogensinde er observeret. Det er den galakse, der viser os vores første begivenhedshorisont nogensinde. ESA/Hubble og NASA

Hvad så vi? Hvad man ser, afhænger af, hvor man kigger hen, og hvordan man observerer. Hvis vi ønsker at se en begivenhedshorisont, var vores bedste bud at se på det sorte hul, der ville se størst ud fra vores perspektiv på Jorden. Det betyder, at det skal have det største forhold mellem dets faktiske, fysiske størrelse og dets afstand fra os. Selv om der kan være op til en milliard sorte huller i vores egen galakse, befinder det mest massive, som vi kender til – langtfra – sig ca. 25.000 lysår væk: i Mælkevejens centrum.

Det er det største sorte hul, målt i vinkelstørrelse af dets begivenhedshorisont, der er synligt fra Jorden, med en anslået masse på 4 millioner sole. Det næststørste er meget fjernere, men meget, meget større: det sorte hul i centrum af M87. Dette sorte hul er anslået 60 millioner lysår langt væk, men vejer anslået 6,6 milliarder sole.

silhuet på baggrund af radiostrålingen bagved det, afsløres af Event Horizon-teleskopet i en galakse omkring 60 millioner lysår væk. Massen af det sorte hul i centrum af M87, som rekonstrueret af Event Horizon-teleskopet, viser sig at være 6,5 milliarder solmasser. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Event Horizon Telescope forsøgte at afbilde begivenhedshorisonterne i begge disse med blandede resultater. Det sorte hul i Mælkevejens centrum – kendt som Sagittarius A* – der oprindeligt blev anslået til at være lidt større end dets modstykke M87, har endnu ikke fået afbilledet sin begivenhedshorisont. Når man observerer universet, får man ikke altid det, man forventer; nogle gange får man det, som det giver en. I stedet var det M87′s sorte hul, der kom igennem først, hvilket var et meget lysere og et meget renere signal.

Det, vi har fundet, er spektakulært. De mørke pixels i midten af billedet er faktisk silhuetten af selve begivenhedshorisonten. Det lys, som vi observerer, kommer fra det accelererede, opvarmede stof omkring den, som må udsende elektromagnetisk stråling. Hvor stoffet findes, udsender det radiobølger, og den mørke cirkel, vi ser, er der, hvor baggrundsradiobølgerne er blokeret af selve begivenhedshorisonten.

hul i midten af vores galakse: Sagittarius A*. Det har en masse på omkring fire millioner sole og er fundet omgivet af varm, røntgenudstrålende gas. Røntgen: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

For M87 så vi alt, hvad vi kunne have håbet på. Men for Sagittarius A* var vi ikke helt så heldige.

Når man ser et sort hul, er det, man forsøger at se, baggrundsradiolyset omkring den enorme masse i en galakses centrum, hvor selve det sorte huls begivenhedshorisont sidder i forgrunden af en del af lyset og afslører en silhuet. Det kræver, at tre ting alle er i din favør:

1. Du skal have den rette opløsning, hvilket betyder, at dit teleskop (eller teleskoparray) skal kunne se det objekt, du ser, som mere end en enkelt pixel.
2. Du skal have en galakse, der er radiolyd, hvilket betyder, at den udsender en radiobaggrund, der er tilstrækkelig stærk til rent faktisk at skille sig ud fra begivenhedshorisontens silhuet.
3. Og du har brug for en galakse, der er radiotransparent, hvilket betyder, at du faktisk kan se hele vejen til det sorte hul uden at blive forstyrret af radiosignaler i forgrunden.

det i midten af galaksen M87, er vist i tre visninger her. Øverst er det optiske fra Hubble, nederst til venstre er det radio fra NRAO, og nederst til højre er det røntgen fra Chandra. På trods af sin masse på 6,6 milliarder sole er den over 2000 gange længere væk end Sagittarius A*. Event Horizon Telescope forsøgte at se dens sorte hul i radioen, og det lykkedes, hvorimod det ikke lykkedes at se Sagittarius A*. Øverst, optisk, Hubble Space Telescope / NASA / Wikisky; nederst til venstre, radio, NRAO / Very Large Array (VLA); nederst til højre, røntgen, NASA / Chandra X-ray telescope

Vi har set udvidede emissioner fra omkring sorte huller mange gange i mange bølgelængder af lys, herunder i radiodelen af spektret. Mens M87 måske opfylder alle tre nødvendige kriterier, havde det sorte hul i midten af vores egen galakse ikke et tilstrækkeligt signal/støjforhold til at skabe et billede, muligvis på grund af de meget lavere niveauer af strålingsintensitet. Det er ærgerligt, for vi ville gerne have haft et bedre billede af et andet sort hul, og det største, målt i vinkelstørrelse, på Jordens himmel. Vi får dog det univers, vi har, ikke det, vi håber på.

Det tredjestørste sorte hul set fra Jorden befinder sig i centrum af den fjerne galakse NGC 1277. Selv om Event Horizon-teleskopet har den rette opløsning til at se det, er det en radioløs galakse, og derfor er der ikke nok radiobaggrund til at se sihouetten. Det fjerdestørste sorte hul er tæt på, i centrum af Andromeda, men vores opløsning, selv med Event Horizon-teleskopet, er for lav til at se det.

arrays, der bidrager til Event Horizon Telescope’s billeddannelsesmuligheder fra en af Jordens halvkugler. De data, der er taget fra 2011 til 2017, og især i 2017, har nu gjort det muligt for os at konstruere et billede af et sort huls begivenhedshorisont for første gang. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Hvordan kunne vi se det? Dette er lidt af den mest bemærkelsesværdige del. Event Horizon-teleskopet har ligesom alle andre teleskoper brug for to forskellige aspekter af de data, det indsamler, for at overskride en kritisk tærskel.

1. Det skal indsamle tilstrækkeligt med lys til at skelne signal fra støj, radiolyde regioner fra radiolyde regioner og regionen omkring det sorte hul fra resten af miljøet omkring det galaktiske centrum.
2. Det skal opnå en tilstrækkelig høj opløsning, så de præcise detaljer kan lokaliseres på deres korrekte vinkelposition i rummet.

Vi har brug for begge dele for at kunne rekonstruere alle detaljerne i ethvert astronomisk objekt, herunder et sort hul. Event Horizon-teleskopet havde en enorm udfordring at overvinde for overhovedet at få et billede af et sort hul på grund af dets lillebitte vinkelstørrelse.

, simuleret her, er det største set fra Jordens perspektiv. Event Horizon Telescope er netop tidligere i dag (10. april 2019) kommet med deres første billede af, hvordan et sort huls begivenhedshorisont ser ud. Størrelsen af begivenhedshorisonten (hvid) og størrelsen af området uden lys (sort) har de forhold, de gør, som forudsagt af den generelle relativitetsteori og massen af selve det sorte hul. Ute Kraus, fysikuddannelsesgruppe Kraus, Universität Hildesheim; baggrund: Axel Mellinger

Da områderne omkring sorte huller accelereres til så store hastigheder, genererer stoffet i dem – der består af ladede partikler – stærke magnetfelter. Når en ladet partikel bevæger sig i et magnetfelt, udsender den stråling, og det er derfra, radiosignalerne kommer. Selv et beskedent radioteleskop på kun få meter i diameter er tilstrækkeligt til at opfange signalet. Med hensyn til lysindsamlingsevne er det ret nemt at observere signalet frem for støjen.

Men opløsningen er en ekstrem udfordring. Den er afhængig af antallet af bølgelængder af lys, der kan passe på tværs af dit teleskops diameter. For at se det lille sorte hul i vores galakses centrum skal vi bruge et optisk teleskop med en diameter på 5.000 meter; i radioen, hvor bølgerne er meget længere, skal vi bruge en diameter på omkring 12.000.000.000 meter!

deltagende teleskoper i Event Horizon Telescope (EHT) og Global mm-VLBI Array (GMVA). Det har for allerførste gang afbildet skyggen af begivenhedshorisonten af et supermassivt sort hul. ESO/O. Furtak

Det er derfor, at Event Horizon Telescope er så kraftfuldt og smart. Den teknik, det bruger, er kendt som Very Long Baseline Interferometry (VLBI), som grundlæggende tager to eller flere teleskoper, der kan foretage de samme typer observationer fra to forskellige steder, og låser dem sammen.

Gennem samtidige observationer får man kun lysindsamlingskraften fra de enkelte paraboler lagt sammen, men man får opløsningen af afstanden mellem parabolerne. Ved at spænde over Jordens diameter med mange forskellige teleskoper (eller teleskopgrupper) samtidigt var vi i stand til at få de data, der var nødvendige for at opløse begivenhedshorisonten.

hastighed har været den begrænsende faktor i EHT-lignende undersøgelser. Proto-EHT begyndte i 2007 og var i stand til at udføre absolut intet af den videnskab, som den udfører i dag. Dette er et skærmbillede fra et foredrag af EHT-forskeren Avery Broderick. Perimeter Institute

Datahastighederne var utrolige:

• Det registrerer en bølge med en frekvens, der svarer til 230 milliarder observationer pr. sekund.
• Det svarer til 8 GB pr. sekund på hver station.
• Med 8 stationer med teleskoper/teleskoparrays får man med en times kontinuerlige observationer 225 TB data.
• For en uges observationer svarer det til 27 PB (petabyte) data!

Alt sammen for et enkelt billede af et sort hul. Efter at datamodulerne for M87 var blevet samlet, havde den 5 PB rådata at arbejde med!

som fotograferet med de Magellanske skyer over hovedet. Et stort antal paraboler tæt på hinanden, som en del af ALMA, er med til at skabe mange af de mest detaljerede billeder i områder, mens et mindre antal paraboler i større afstand er med til at skærpe detaljerne i de mest lysstærke områder. Tilføjelsen af ALMA til Event Horizon Telescope var det, der gjorde det muligt at konstruere et billede af begivenhedshorisonten. ESO/C. Malin

Så, hvad har vi lært? Der er en masse ting, vi har fået at vide, og der vil komme mange historier om de forskellige detaljer og nuancer, der kommer frem i løbet af de kommende dage og uger. Men der er fire store takeaways, som alle burde kunne sætte pris på.

Først og vigtigst af alt: sorte huller findes virkelig! Folk har udtænkt alle mulige bizarre planer og scenarier for at undgå dem, men det første direkte billede af en begivenhedshorisont burde sætte alle disse tvivlsspørgsmål til vægs. Ikke alene har vi alle de indirekte beviser fra LIGO, gravitationsmålinger af baner omkring galaktisk centrum og data fra røntgenbinærer, men nu har vi også et direkte billede af begivenhedshorisonten.

For det andet og næsten lige så overvældende: Den generelle relativitetsteori vinder igen! Einsteins teori forudsagde, at begivenhedshorisonten ville være kugleformet i stedet for aflang eller aflang, og at området uden stråling ville være af en bestemt størrelse baseret på det sorte huls målte masse. Den inderste stabile cirkulære bane, som forudsagt af den generelle relativitetsteori, viser de lyse fotoner, som er de sidste, der undslipper det sorte huls tyngdekraft.

Endnu en gang kom den generelle relativitetsteori ubesejret ud, selv når den blev udsat for en ny test!

Mælkevejen kan se ud for Event Horizon-teleskopet, afhængigt af dens orientering i forhold til os. Disse simuleringer forudsætter, at begivenhedshorisonten eksisterer, at relativitetsligningerne er gyldige, og at vi har anvendt de rigtige parametre på vores system af interesse. Bemærk, at der er tale om simuleringer, der allerede er 10 år gamle og stammer fra 2009. Hold da op, hvor var de gode! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

For det tredje fandt vi ud af, at vores simuleringer til forudsigelse af, hvordan radioudsendelserne omkring det sorte hul skulle se ud, var virkelig, virkelig gode! Det fortæller os, at vi ikke blot forstår miljøerne omkring sorte huller meget godt, men at vi også forstår dynamikken i den materie og gas, der kredser om det. Det er en ret spektakulær præstation!

Og for det fjerde lærte vi, at det sorte hullets masse, som vi udledte af gravitationsobservationer, er korrekt, og at det sorte hullets masse, som vi udledte af røntgenobservationer, systematisk er for lav. For M87 afveg disse estimater med en faktor 2; for Sagittarius A* afveg de med en faktor 1,5.

Vi ved nu, at tyngdekraften er den rigtige vej at gå, da estimaterne på 6,6 milliarder solmasser fra M87′s tyngdekraft stemmer spektakulært overens med Event Horizon Telescope′s konklusion på 6,5 milliarder solmasser. Vores røntgenobservationer er faktisk skævvredet i retning af værdier, der er for lave.

supermassive sorte hul i Mælkevejens kerne. Disse stjerner kan, når de observeres i det infrarøde lys, få deres baner fulgt inden for få lysår fra Sagittarius A*, hvilket gør det muligt at rekonstruere en masse for det centrale sorte hul. Lignende, men mere komplicerede metoder er blevet anvendt til at rekonstruere den gravitationelle masse af det sorte hul i M87. Ved at opløse det centrale sorte hul direkte i M87 kunne vi bekræfte, at den masse, der er udledt af gravitation, stemmer overens med begivenhedshorisontens faktiske størrelse, mens røntgenobservationerne ikke gør det. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Der vil være flere ting at lære, efterhånden som vi fortsætter med at lave videnskab med eventhorisontteleskopet. Vi kan lære, hvorfor sorte huller blusser op, og om der er forbigående træk, der dukker op i akkretionsskiven, som f.eks. hot blobs. Vi kan lære, om placeringen af et centralt sort hul flytter sig over tid, hvilket giver os mulighed for at konkludere, at der findes mindre, hidtil usynlige sorte huller i nærheden af de supermassive, centrale huller. Vi kan lære, efterhånden som vi indsamler flere sorte huller, om de masser, som vi udleder for sorte huller fra enten deres gravitationseffekter eller deres røntgenemissioner, er universelt skævvredet eller ej. Og vi kan lære, om akkretionsskiverne har en universel tilpasning til deres værtsgalakser eller ej.

med ansigtet på (venstre to paneler) eller med kanten på (højre to paneler) kan i høj grad ændre den måde, det sorte hul fremstår for os. Vi ved endnu ikke, om der findes en universel justering eller et sæt af tilfældige justeringer mellem sorte huller og akkretionsskiver. ‘Toward the event horizon-the supermassive black hole in the Galactic Center’, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Vi kan ikke kende disse svar med blot vores første resultater, men det er kun begyndelsen. Vi lever nu i en verden, hvor vi kan afbilde de sorte hullers begivenhedshorisonter direkte. Vi ved, at sorte huller eksisterer; vi ved, at begivenhedshorisonter er virkelige; vi ved, at Einsteins tyngdekraftteori nu er blevet bekræftet på en helt ny måde uden fortilfælde. Og enhver sidste tilbageværende tvivl om, at de supermassive mastodonter i galaksernes centrum virkelig er sorte huller, er nu forduftet.

Sorte huller findes, og de er spektakulære. I hvert fald i radiodelen af spektret, takket være Event Horizon-teleskopets utrolige præstation, ser vi dem som aldrig før.

Få det bedste fra Forbes i din indbakke med de seneste indsigter fra eksperter over hele verden.

Følg mig på Twitter. Se mit websted eller nogle af mine andre værker her.

Loading …