Mustat aukot ovat todellisia ja näyttäviä, ja niin ovat myös niiden tapahtumahorisontit
Event Horizon Telescope -kaukoputkeen liittyvät teleskoopit/teleskooppiryhmät osoittivat Messier 87:ään. Tältä näyttää supermassiivinen musta aukko, ja tapahtumahorisontti näkyy selvästi. Event Horizon Telescope collaboration et al.
Vaihtelu ei ole vain elämän mauste, vaan luonnollinen seuraus siitä, että elämme maailmankaikkeudessamme. Gravitaatio, joka noudattaa samoja yleismaailmallisia lakeja kaikissa mittakaavoissa, luo aineryhmiä ja -ryppäitä valtavassa yhdistelmäkokonaisuudessa, ohuista kaasupilvistä massiivisiin tähtiin, jotka kaikki kootaan galakseiksi, tähtijoukoiksi ja suureksi kosmiseksi verkoksi.
Meidän näkökulmastamme maapallolta käsin katsottuna on valtavasti havaittavaa. Emme kuitenkaan voi nähdä sitä kaikkea. Kun massiivisimmat tähdet kuolevat, niiden ruumiista tulee mustia aukkoja. Kun niin paljon massaa on niin pienessä tilavuudessa, mikään – minkäänlaiset signaalit – eivät pääse ulos. Voimme havaita näiden mustien aukkojen ympärillä olevan aineen ja valon, mutta tapahtumahorisontin sisällä mikään ei pääse pakoon. Tieteen uskomaton menestystarina on, että olemme juuri onnistuneet kuvaamaan tapahtumahorisontin ensimmäistä kertaa. Tässä kerrotaan, mitä näimme, miten teimme sen ja mitä olemme oppineet.
galaksin M87 keskustassa oleva galaksi on noin 1000 kertaa suurempi kuin Linnunradan musta aukko, mutta yli 2000 kertaa kauempana. Sen keskusytimestä lähtevä relativistinen suihku on yksi suurimmista, kollimoituneimmista koskaan havaituista. Tämä on galaksi, joka näyttää meille kaikkien aikojen ensimmäisen tapahtumahorisontin. ESA/Hubble ja NASA
Mitä näimme? Se, mitä näet, riippuu siitä, mihin katsot ja miten teet havaintosi. Jos haluamme nähdä tapahtumahorisontin, paras vaihtoehtomme oli katsoa mustaa aukkoa, joka näyttäisi suurimmalta meidän näkökulmastamme maapallolta. Se tarkoittaa, että sen todellisen, fyysisen koon on oltava suurin suhteessa sen etäisyyteen meistä. Vaikka omassa galaksissamme saattaa olla jopa miljardi mustaa aukkoa, ylivoimaisesti massiivisin tuntemamme musta aukko sijaitsee noin 25 000 valovuoden päässä: Linnunradan galaksin keskustassa.
Tämä on tapahtumahorisontinsa kulmamitan suhteen suurin Maasta näkyvä musta aukko, jonka massaksi on arvioitu 4 miljoonaa aurinkoa. Toiseksi suurin on paljon kauempana, mutta paljon, paljon suurempi: M87:n keskustassa oleva musta aukko. Tämä musta aukko on arviolta 60 miljoonan valovuoden päässä, mutta sen paino on arviolta 6,6 miljardia aurinkoa.
tapahtumahorisontti-teleskooppi paljastaa noin 60 miljoonan valovuoden päässä sijaitsevassa galaksissa sijaitsevan mustan aukon piirteet, jotka näkyvät sen takaa tulevien radiolähetysten taustaa vasten. Tapahtumahorisontti-teleskoopin rekonstruoima M87:n keskustassa olevan mustan aukon massa osoittautuu 6,5 miljardiksi aurinkomassaksi. Event Horizon Telescope collaboration et al.
Tapahtumahorisontti-teleskooppi yritti kuvata molempien tapahtumahorisontteja, vaihtelevin tuloksin. Alun perin hieman M87:ää suuremmaksi arvioidun Linnunradan keskellä olevan mustan aukon – joka tunnetaan nimellä Sagittarius A* – tapahtumahorisonttia ei ole vielä kuvattu. Kun tarkkailee maailmankaikkeutta, ei aina saa sitä, mitä odottaa; joskus saa sitä, mitä se antaa. Sen sijaan se oli M87:n musta aukko, joka tuli ensimmäisenä, ja se oli paljon kirkkaampi ja paljon puhtaampi signaali.
Mitä olemme löytäneet, on upeaa. Nuo tummat pikselit kuvan keskellä ovat itse asiassa itse tapahtumahorisontin siluetti. Havaitsemamme valo on peräisin sitä ympäröivästä kiihtyneestä, kuumentuneesta aineesta, jonka täytyy lähettää sähkömagneettista säteilyä. Siellä missä ainetta on, se säteilee radioaaltoja, ja näkemämme tumma ympyrä on siellä, missä itse tapahtumahorisontti estää taustaradioaallot.
aukko galaksimme keskustassa: Sagittarius A*. Sen massa on noin neljä miljoonaa aurinkoa, ja sitä ympäröi kuuma, röntgensäteilyä säteilevä kaasu. Röntgensäteilyä: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
M87:n osalta näimme kaiken, mitä olisimme voineet toivoa. Mutta Sagittarius A*:n kohdalla emme olleet aivan yhtä onnekkaita.
Kun katsot mustaa aukkoa, se mitä yrität nähdä, on galaksin keskipisteessä olevaa valtavaa massaa ympäröivä radiotaustavalo, jossa itse mustan aukon tapahtumahorisontti istuu osan valosta etualalla, paljastaen siluetin. Tämä edellyttää, että kolme asiaa on kaikki kohdillaan eduksesi:
- Sinulla on oltava oikea resoluutio, mikä tarkoittaa, että teleskoopin (tai teleskooppiryhmän) on nähtävä tarkastelemasi kohde muutenkin kuin yksittäisenä pikselinä.
- Tarvitset galaksin, joka on radiovoimainen, mikä tarkoittaa, että se säteilee radiotaustan, joka on riittävän voimakas, jotta se itse asiassa erottuu tapahtumahorisonttia vasten siluetista.
- Ja tarvitaan galaksi, joka on radioläpinäkyvä, mikä tarkoittaa, että mustaan aukkoon asti voidaan todella nähdä ilman, että etualan radiosignaalit häiritsevät.
se, joka on galaksin M87 keskellä, näkyy tässä kolmessa näkymässä. Ylhäällä on Hubblen optinen, alhaalla vasemmalla NRAO:n radiokuva ja alhaalla oikealla Chandran röntgenkuva. Vaikka sen massa on 6,6 miljardia aurinkoa, se on yli 2000 kertaa kauempana kuin Sagittarius A*. Event Horizon Telescope yritti nähdä sen mustan aukon radiossa ja onnistui siinä, kun taas Sagittarius A*:n näkeminen ei onnistunut. Ylhäällä, optinen, Hubble Space Telescope / NASA / Wikisky; alhaalla vasemmalla, radio, NRAO / Very Large Array (VLA); alhaalla oikealla, röntgensäteily, NASA / Chandra X-ray telescope
Olemme nähneet mustien aukkojen ympäriltä tulevia laajenevia emissioita moneen kertaan monilla valon aallonpituuksilla, mukaan lukien spektrin radio-osa. Vaikka M87 saattaa täyttää kaikki kolme tarvittavaa kriteeriä, oman galaksimme keskellä olevan mustan aukon signaali-kohinasuhde ei riittänyt kuvan luomiseen, mahdollisesti paljon alhaisemman säteilyn intensiteetin vuoksi. Harmi, sillä olisimme mielellämme saaneet paremman kuvan toisesta mustasta aukosta, joka on kulmakooltaan suurin Maan taivaalla. Saamme kuitenkin maailmankaikkeuden, joka meillä on, emmekä sellaista, jota toivomme.
Kolmanneksi suurin musta aukko Maasta katsottuna on kaukaisen NGC 1277 -galaksin keskellä. Vaikka Event Horizon -teleskoopilla on sopiva resoluutio sen näkemiseen, se on radiohiljainen galaksi, joten radiotausta ei riitä sihouteen näkemiseen. Neljänneksi suurin musta aukko on lähellä, Andromedan keskellä, mutta resoluutiomme on Event Horizon Telescope -kaukoputkellakin liian alhainen sen näkemiseen.
Event Horizon Telescope -teleskoopin kuvauskapasiteettiin osallistuvat teleskooppiryhmät maapallon yhdeltä pallonpuoliskolta. Vuosina 2011-2017 ja erityisesti vuonna 2017 kerättyjen tietojen avulla on nyt ensimmäistä kertaa pystytty rakentamaan kuva mustan aukon tapahtumahorisontista. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin
Miten näimme sen? Tämä on tavallaan merkittävin osa. Event Horizon Telescope, kuten mikä tahansa teleskooppi, tarvitsee keräämänsä datan kahta eri näkökohtaa ylittääkseen kriittisen kynnyksen.
- Sen on kerättävä tarpeeksi valoa, jotta se voi erottaa signaalin kohinasta, radiomelut alueet radiohiljaisista alueista ja mustaa aukkoa ympäröivän alueen muusta galaktisen keskuksen ympärillä olevasta ympäristöstä.
- Sen on saavutettava riittävän korkea resoluutio, jotta tarkat yksityiskohdat voidaan paikantaa oikeaan kulma-asemaansa avaruudessa.
Tarvitsemme näitä molempia, jotta voimme rekonstruoida mitä tahansa yksityiskohtia mistä tahansa tähtitieteellisestä kohteesta, myös mustasta aukosta. Event Horizon -teleskoopilla oli valtava haaste voitettavana saadakseen ylipäätään kuvan mistään mustasta aukosta, johtuen sen kulmakoon pienuudesta.
tässä simuloitu, on suurin Maan näkökulmasta nähty. Tapahtumahorisontti-teleskooppi julkaisi juuri aiemmin tänään (10. huhtikuuta 2019) ensimmäisen kuvansa siitä, miltä minkä tahansa mustan aukon tapahtumahorisontti näyttää. Tapahtumahorisontin koko (valkoinen) ja valottomaksi jäävän alueen koko (musta) ovat suhteissa, jotka on ennustettu yleisen suhteellisuusteorian ja itse mustan aukon massan avulla. Ute Kraus, fysiikan opetusryhmä Kraus, Universität Hildesheim; tausta: Axel Mellinger
Koska mustien aukkojen ympärillä olevat alueet kiihtyvät niin suuriin nopeuksiin, niiden sisällä oleva – varatuista hiukkasista koostuva – aine synnyttää voimakkaita magneettikenttiä. Kun varattu hiukkanen liikkuu magneettikentässä, se säteilee säteilyä, ja sieltä tulevat radiosignaalit. Jopa vaatimattoman kokoinen, vain muutaman metrin halkaisijaltaan oleva radioteleskooppi riittää signaalin havaitsemiseen. Valonkeruutehon kannalta signaalin havaitseminen kohinan yli on melko helppoa.
Mutta resoluutio on äärimmäisen haastavaa. Se riippuu siitä, kuinka monta valon aallonpituutta mahtuu teleskoopin halkaisijan läpi. Nähdäksemme pienen mustan aukon galaksimme keskustassa tarvitsisimme optisen teleskoopin, jonka halkaisija on 5 000 metriä; radiossa, jossa aallot ovat paljon pidempiä, tarvitsisimme noin 12 000 000 metrin halkaisijan!
osallistuvat teleskoopit Event Horizon Telescope (EHT) ja Global mm-VLBI Array (GMVA). Se on kuvannut ensimmäistä kertaa supermassiivisen mustan aukon tapahtumahorisontin varjon. ESO/O. Furtak
Sentähden Event Horizon Telescope on niin tehokas ja älykäs. Sen käyttämä tekniikka tunnetaan nimellä Very Long Baseline Interferometry (VLBI), joka periaatteessa ottaa kaksi tai useampia teleskooppeja, jotka pystyvät tekemään samantyyppisiä havaintoja kahdesta eri paikasta, ja lukitsee ne yhteen.
Tehdessäsi samanaikaisia havaintoja saat vain yksittäisten kaukoputkien valoa keräävän tehon yhteenlaskettuna, mutta saat myös kaukoputkien välisen etäisyyden tuoman resoluution. Ympyröimällä Maan halkaisijan monilla eri teleskoopeilla (tai teleskooppiryhmillä) samanaikaisesti saatiin tarvittava data tapahtumahorisontin ratkaisemiseksi.
nopeus on ollut rajoittava tekijä EHT:n kaltaisissa tutkimuksissa. Proto-EHT alkoi vuonna 2007, eikä se pystynyt tekemään yhtään mitään sellaista tiedettä, jota se tekee nykyään. Tämä on kuvakaappaus EHT-tutkijan Avery Broderickin puheesta. Perimeter Institute
Datanopeudet olivat uskomattomia:
- Se tallentaa aallon taajuudella, joka vastaa 230 miljardia havaintoa sekunnissa.
- Se vastaa 8 gigatavua sekunnissa kullakin asemalla.
- Kahdeksan aseman teleskooppien/teleskooppirakenteiden avulla tunnin yhtäjaksoisilla havainnoilla saadaan 225 TB dataa.
- Viikon havainnointijaksolla se on 27 PB (petatavua) dataa!
Kaikki yhdestä ainoasta mustan aukon kuvasta. Kun M87:n datamoduulit oli koottu yhteen, käytettävissä oli 5 PB raakadataa!
kuvattuna Magellanin pilvien yläpuolella. Suuri määrä lähellä toisiaan sijaitsevia lautasia, kuten ALMA:ssa, auttaa luomaan monia yksityiskohtaisimpia kuvia alueilta, kun taas pienempi määrä kauempana sijaitsevia lautasia auttaa tarkentamaan yksityiskohtia kirkkaimmissa paikoissa. ALMA:n lisääminen tapahtumahorisontti-teleskooppiin teki mahdolliseksi kuvan rakentamisen tapahtumahorisontista. ESO/C. Malin
Mitä siis opimme? Olemme saaneet tietää joukon asioita, ja tulevina päivinä ja viikkoina on luvassa monia tarinoita eri yksityiskohdista ja vivahteista. Mutta on neljä isoa johtopäätöstä, joita jokaisen pitäisi pystyä arvostamaan.
Ensiksi ja tärkeimmäksi, mustia aukkoja on todella olemassa! Ihmiset ovat keksineet kaikenlaisia outoja suunnitelmia ja skenaarioita niiden välttämiseksi, mutta ensimmäisen suoran kuvan tapahtumahorisontista pitäisi laittaa kaikki nuo epäilykset lepoon. Sen lisäksi, että meillä on kaikki epäsuorat todisteet LIGO:sta, galaktisen keskuksen ympärillä olevien ratojen gravitaatiomittauksista ja röntgenkaksoisista saaduista tiedoista, meillä on nyt myös suoraan kuva tapahtumahorisontista.
Toiseksi ja melkein yhtä tajunnanräjäyttävää on se, että yleinen suhteellisuusteoria voittaa jälleen! Einsteinin teoria ennusti, että tapahtumahorisontti olisi pallomainen, eikä litteä tai levymäinen, ja että säteilystä vapaa alue olisi tietyn kokoinen mustan aukon mitatun massan perusteella. Yleisen suhteellisuusteorian ennustamalla sisimmällä vakaalla ympyränmuotoisella radalla näkyvät kirkkaat fotonit, jotka pakenevat viimeisinä mustan aukon gravitaatiovetovoimasta.
Jälleen kerran yleinen suhteellisuusteoria selviytyi voittajana, vaikka se joutui uuteen testiin!
Linnunrata voi näkyä tapahtumahorisontti-teleskoopille riippuen sen suunnasta meihin nähden. Näissä simulaatioissa oletetaan, että tapahtumahorisontti on olemassa, että suhteellisuusteoriaa ohjaavat yhtälöt ovat voimassa ja että olemme soveltaneet oikeat parametrit kiinnostavaan järjestelmäämme. Huomaa, että nämä simulaatiot ovat jo 10 vuotta vanhoja, vuodelta 2009. Vau, olivatpa ne hyviä! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.
Kolmanneksi saimme tietää, että simulaatiomme, joilla ennustimme, miltä mustan aukon ympärillä olevien radiolähetysten pitäisi näyttää, olivat todella, todella hyviä! Tämä kertoo meille, että emme ainoastaan ymmärrä hyvin mustien aukkojen ympärillä olevia ympäristöjä, vaan ymmärrämme myös sitä kiertävän aineen ja kaasun dynamiikkaa. Se on melkoinen saavutus!
Ja neljänneksi saimme tietää, että gravitaatiohavainnoista päättelemämme mustan aukon massa pitää paikkansa, ja röntgenhavainnoista päättelemämme mustan aukon massa on systemaattisesti liian pieni. M87:n kohdalla nämä arviot erosivat toisistaan kertoimella 2; Sagittarius A*:n kohdalla ne erosivat toisistaan kertoimella 1,5.
Me tiedämme nyt, että painovoima on oikea tie, sillä M87′:n painovoiman perusteella saadut 6,6 miljardin auringon massan arviot sopivat hämmästyttävän hyvin yhteen Event Horizon Telescope -kaukoputken päätelmän kanssa, jonka mukaan auringon massa oli 6,5 miljardia. Röntgenhavaintomme ovatkin vinoutuneet liian alhaisiin arvoihin.
supermassiivinen musta aukko Linnunradan ytimessä. Kun näitä tähtiä havainnoidaan infrapunassa, niiden kiertoratoja voidaan seurata vain muutaman valovuoden säteellä Sagittarius A*:sta, jolloin voidaan rekonstruoida keskeisen mustan aukon massa. Samanlaisia, mutta monimutkaisempia menetelmiä on käytetty M87:n mustan aukon gravitaatiomassan rekonstruoimiseksi. Ratkaisemalla M87:n keskeisen mustan aukon suoraan pystyimme vahvistamaan, että gravitaatiosta johdetut massat vastaavat tapahtumahorisontin todellista kokoa, kun taas röntgenhavainnot eivät. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group
Tulee vielä lisää opittavaa, kun jatkamme tieteen tekemistä tapahtumahorisontti-teleskoopilla. Voimme oppia, miksi mustat aukot leimahtavat, ja onko akkrektiokiekossa havaittavissa ohimeneviä piirteitä, kuten kuumia blobeja. Voimme oppia, siirtyykö keskeisen mustan aukon sijainti ajan myötä, jolloin voimme päätellä pienempien, tähän asti näkymättömien mustien aukkojen olemassaolon supermassiivisten keskeisten aukkojen lähellä. Kun keräämme lisää mustia aukkoja, voimme oppia, ovatko mustien aukkojen massat, jotka päättelemme niiden gravitaatiovaikutusten tai röntgensäteilypäästöjen perusteella, yleisesti vääristyneitä vai eivät. Ja voimme oppia, onko akkrektiokiekoilla universaali suuntaus isäntägalaksiinsa nähden vai ei.
kasvot menosuuntaan (vasemmanpuoleiset kaksi paneelia) tai reuna menosuuntaan (oikeanpuoleiset kaksi paneelia) voi suuresti muuttaa sitä, miltä musta aukko näyttää meille. Emme vielä tiedä, onko mustien aukkojen ja akkrektiokiekkojen välillä universaali linjaus vai joukko satunnaisia linjauksia. ”Kohti tapahtumahorisonttia – supermassiivinen musta aukko galaktisessa keskuksessa”, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)
Emme voi tietää näitä vastauksia vain ensimmäisten tulosten perusteella, mutta tämä on vasta alkua. Elämme nyt maailmassa, jossa voimme kuvata mustien aukkojen tapahtumahorisontteja suoraan. Tiedämme, että mustia aukkoja on olemassa; tiedämme, että tapahtumahorisontit ovat todellisia; tiedämme, että Einsteinin painovoimateoria on nyt vahvistettu täysin ennennäkemättömällä tavalla. Ja kaikki viimeisetkin epäilykset siitä, että galaksien keskuksissa olevat supermassiiviset jättiläiset todella ovat mustia aukkoja, ovat nyt haihtuneet.
Mustat aukot ovat todellisia, ja ne ovat näyttäviä. Ainakin spektrin radio-osassa Event Horizon -teleskoopin uskomattoman saavutuksen ansiosta näemme niitä paremmin kuin koskaan ennen.
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.