teleskopy/telescope arrays associated with the Event Horizon Telescope wycelowane w Messiera 87. Tak wygląda supermasywna czarna dziura, a horyzont zdarzeń jest wyraźnie widoczny. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Różnorodność jest nie tylko przyprawą życia, ale naturalną konsekwencją życia w naszym Wszechświecie. Grawitacja, przestrzegając tych samych uniwersalnych praw we wszystkich skalach, tworzy kępy i skupiska materii w ogromnym zestawie kombinacji, od delikatnych obłoków gazu do masywnych gwiazd, a wszystko to składa się na galaktyki, gromady i wielką kosmiczną sieć.

Z naszej perspektywy na Ziemi jest ogromna ilość do zaobserwowania. Jednakże, nie możemy zobaczyć wszystkiego. Kiedy najbardziej masywne gwiazdy umierają, ich ciała stają się czarnymi dziurami. Przy tak dużej masie w tak małej objętości przestrzeni, nic – żadne sygnały żadnego typu – nie mogą się wydostać. Możemy wykryć materię i światło emitowane wokół tych czarnych dziur, ale wewnątrz horyzontu zdarzeń nic nie może się wydostać. W niesamowitym sukcesie nauki, właśnie udało nam się po raz pierwszy zobrazować horyzont zdarzeń. Oto co zobaczyliśmy, jak to zrobiliśmy i czego się nauczyliśmy.

Ten w centrum galaktyki M87 jest około 1000 razy większy od czarnej dziury Drogi Mlecznej, ale znajduje się ponad 2000 razy dalej. Relatywistyczny dżet emanujący z jej centralnego jądra jest jednym z największych i najbardziej skolimowanych, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. To galaktyka, która pokazuje nam pierwszy horyzont zdarzeń w historii. ESA/Hubble i NASA

Co zobaczyliśmy? To co widzisz zależy od tego gdzie patrzysz i jak prowadzisz obserwacje. Jeśli chcemy zobaczyć horyzont zdarzeń, najlepiej jest patrzeć na czarną dziurę, która wydaje się największa z naszej perspektywy na Ziemi. Oznacza to, że musi ona mieć największy stosunek rzeczywistych, fizycznych rozmiarów do odległości od nas. Podczas gdy w naszej własnej galaktyce może znajdować się nawet miliard czarnych dziur, najbardziej masywna z nich, o której wiemy, znajduje się około 25 000 lat świetlnych stąd: w centrum galaktyki Drogi Mlecznej.

Jest to największa czarna dziura, pod względem rozmiaru kątowego jej horyzontu zdarzeń, widoczna z Ziemi, o masie szacowanej na 4 miliony Słońc. Druga co do wielkości jest znacznie bardziej odległa, ale znacznie, znacznie większa: czarna dziura w centrum M87. Ta czarna dziura znajduje się w odległości około 60 milionów lat świetlnych, ale jej masa szacowana jest na 6,6 miliarda Słońc.

sylwetka na tle emisji radiowych zza niej, są ujawnione przez Event Horizon Telescope w galaktyce odległej o około 60 milionów lat świetlnych. Masa czarnej dziury w centrum M87, zrekonstruowana przez Event Horizon Telescope, wynosi 6,5 miliarda mas Słońca. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Event Horizon Telescope próbował zobrazować horyzonty zdarzeń obu tych gwiazd, z mieszanymi rezultatami. Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej – znana jako Sagittarius A* – pierwotnie szacowana jako nieco większa niż jej odpowiednik w M87, nie doczekała się jeszcze zobrazowania swojego horyzontu zdarzeń. Kiedy obserwujesz Wszechświat, nie zawsze dostajesz to, czego oczekujesz; czasami dostajesz to, co on daje. Zamiast tego, to czarna dziura M87 pojawiła się jako pierwsza, co było znacznie jaśniejszym i czystszym sygnałem.

To, co znaleźliśmy jest spektakularne. Te ciemne piksele w centrum obrazu są w rzeczywistości sylwetką samego horyzontu zdarzeń. Światło, które obserwujemy pochodzi od rozpędzonej, rozgrzanej materii wokół niego, która musi emitować promieniowanie elektromagnetyczne. Tam, gdzie istnieje materia, emituje ona fale radiowe, a ciemny okrąg, który widzimy, to miejsce, gdzie fale radiowe tła są blokowane przez sam horyzont zdarzeń.

dziura w centrum naszej galaktyki: Sagittarius A*. Ma masę około czterech milionów Słońc i znajduje się w otoczeniu gorącego, emitującego promieniowanie rentgenowskie gazu. Zdjęcia rentgenowskie: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

W przypadku M87 zobaczyliśmy wszystko, na co mogliśmy mieć nadzieję. Ale w przypadku Sagittariusa A* nie mieliśmy tyle szczęścia.

Gdy oglądasz czarną dziurę, to co próbujesz zobaczyć to światło radiowe w tle otaczające ogromną masę w centrum galaktyki, gdzie horyzont zdarzeń samej czarnej dziury znajduje się na pierwszym planie części światła, odsłaniając sylwetkę. Wymaga to trzech rzeczy, które muszą działać na Twoją korzyść:

1. Musisz mieć odpowiednią rozdzielczość, co oznacza, że Twój teleskop (lub zestaw teleskopów) musi widzieć oglądany obiekt jako więcej niż pojedynczy piksel.
2. Potrzebujesz galaktyki, która jest głośna radiowo, co oznacza, że emituje tło radiowe, które jest wystarczająco silne, aby faktycznie wyróżniać się na tle sylwetki horyzontu zdarzeń.
3. I potrzebujesz galaktyki, która jest radioprzezroczysta, co oznacza, że możesz zobaczyć całą drogę do czarnej dziury bez bycia zdezorientowanym przez sygnały radiowe na pierwszym planie.

ta w centrum galaktyki M87, pokazana jest tutaj w trzech ujęciach. Na górze optyczny z Hubble’a, na dole po lewej radiowy z NRAO, a na dole po prawej rentgenowski z Chandry. Pomimo masy 6,6 miliarda Słońc, jest ona ponad 2000 razy dalej niż Sagittarius A*. Teleskop Event Horizon próbował dostrzec jej czarną dziurę w radiu i odniósł sukces, natomiast nie udało mu się to w przypadku Sagittariusa A*. Góra, optyczny, Kosmiczny Teleskop Hubble’a / NASA / Wikisky; dół po lewej, radiowy, NRAO / Very Large Array (VLA); dół po prawej, rentgenowski, NASA / Chandra X-ray telescope

Wielokrotnie oglądaliśmy rozszerzone emisje z okolic czarnych dziur w wielu długościach fal światła, w tym w radiowej części widma. Podczas gdy M87 może spełniać wszystkie trzy niezbędne kryteria, czarna dziura w centrum naszej własnej galaktyki nie miała wystarczającego stosunku sygnału do szumu, by stworzyć obraz, prawdopodobnie z powodu znacznie niższych poziomów intensywności promieniowania. A szkoda, bo bardzo byśmy chcieli uzyskać lepszy obraz drugiej czarnej dziury, w dodatku największej pod względem rozmiarów kątowych na ziemskim niebie. Otrzymujemy jednak Wszechświat, który mamy, a nie ten, na który mamy nadzieję.

Trzecia co do wielkości czarna dziura widziana z Ziemi znajduje się w centrum odległej galaktyki NGC 1277. Chociaż Teleskop Event Horizon ma odpowiednią rozdzielczość, aby ją zobaczyć, jest to cicha radiowo galaktyka, a więc nie ma wystarczającego tła radiowego, aby zobaczyć sihouette. Czwarta co do wielkości czarna dziura znajduje się w pobliżu, w centrum Andromedy, ale nasza rozdzielczość, nawet z Teleskopem Event Horizon, jest zbyt niska, aby ją zobaczyć.

tablice teleskopów przyczyniające się do możliwości obrazowania Event Horizon Telescope z jednej z półkul Ziemi. Dane zebrane od 2011 do 2017 roku, a w szczególności w 2017 roku, pozwoliły nam po raz pierwszy skonstruować obraz horyzontu zdarzeń czarnej dziury. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Jak to zobaczyliśmy? To jest najbardziej niezwykła część. Teleskop Event Horizon, jak każdy teleskop, potrzebuje dwóch różnych aspektów danych, które zbiera, aby przekroczyć próg krytyczny.

1. Musi zebrać wystarczająco dużo światła, aby odróżnić sygnał od szumu, regiony głośne od cichych oraz region otaczający czarną dziurę od reszty otoczenia wokół centrum galaktyki.
2. Musi osiągnąć wystarczająco wysoką rozdzielczość, aby precyzyjne szczegóły mogły być zlokalizowane w ich prawidłowej pozycji kątowej w przestrzeni.

Potrzebujemy obu tych elementów, aby zrekonstruować jakiekolwiek szczegóły dowolnego obiektu astronomicznego, w tym czarnej dziury. Teleskop Event Horizon miał ogromne wyzwanie do pokonania, aby w ogóle uzyskać obraz jakiejkolwiek czarnej dziury, ze względu na niewielki rozmiar kątowy.

symulowany tutaj, jest największy widziany z perspektywy Ziemi. Event Horizon Telescope właśnie wyszedł z, wcześniej dzisiaj (10 kwietnia 2019), ich pierwszy obraz tego, jak wygląda horyzont zdarzeń każdej czarnej dziury. Rozmiar horyzontu zdarzeń (biały) i rozmiar regionu pozbawionego światła (czarny) mają proporcje, które są przewidywane przez Ogólną Teorię Względności i masę samej czarnej dziury. Ute Kraus, grupa kształcenia fizycznego Kraus, Universität Hildesheim; tł: Axel Mellinger

Ponieważ regiony wokół czarnych dziur są rozpędzane do tak wielkich prędkości, materia w ich obrębie – złożona z naładowanych cząstek – generuje silne pola magnetyczne. Kiedy naładowana cząstka porusza się w polu magnetycznym, emituje promieniowanie, i to właśnie stąd pochodzą sygnały radiowe. Nawet niewielki radioteleskop, o średnicy zaledwie kilku metrów, wystarczy, aby odebrać ten sygnał. Jeśli chodzi o moc zbierania światła, zaobserwowanie sygnału ponad szumem jest całkiem łatwe.

Ale rozdzielczość jest niezwykle trudna. Zależy ona od liczby długości fal świetlnych, które mogą zmieścić się na średnicy teleskopu. Aby zobaczyć maleńką czarną dziurę w centrum naszej galaktyki, potrzebowalibyśmy teleskopu optycznego o średnicy 5 000 metrów; w radiu, gdzie fale są znacznie dłuższe, potrzebowalibyśmy średnicy około 12 000 000 metrów!

Teleskopy uczestniczące w projekcie Event Horizon Telescope (EHT) i Global mm-VLBI Array (GMVA). Po raz pierwszy udało się zobrazować cień horyzontu zdarzeń supermasywnej czarnej dziury. ESO/O. Furtak

Właśnie dlatego Event Horizon Telescope jest tak potężny i sprytny. Technika, której używa, znana jest jako Interferometria Bardzo Długiej Linii Bazowej (VLBI), która zasadniczo wykorzystuje dwa lub więcej teleskopów, które mogą wykonywać te same rodzaje obserwacji z dwóch różnych miejsc i łączy je razem.

Biorąc jednoczesne obserwacje, otrzymujemy tylko moc zbierania światła poszczególnych anten zsumowaną razem, ale otrzymujemy rozdzielczość wynikającą z odległości między antenami. Obejmując średnicę Ziemi wieloma różnymi teleskopami (lub zestawami teleskopów) jednocześnie, byliśmy w stanie uzyskać dane niezbędne do rozwiązania problemu horyzontu zdarzeń.

Szybkość była czynnikiem ograniczającym w badaniach podobnych do EHT. Proto-EHT rozpoczęło się w 2007 roku i nie było w stanie zrobić absolutnie nic z tego, co robi dzisiaj. To jest zrzut ekranu z wykładu naukowca EHT, Avery’ego Brodericka. Perimeter Institute

Szybkość transmisji danych była niesamowita:

• Zapisuje falę z częstotliwością, która odpowiada 230 miliardom obserwacji na sekundę.
• To odpowiada 8 GB na sekundę w każdej stacji.
• Przy 8 stacjach teleskopów/teleskopów, godzina ciągłych obserwacji daje 225 TB danych.
• Przy jednotygodniowej obserwacji daje to 27 PB (petabajtów) danych!

Wszystko dla jednego obrazu czarnej dziury. Po zebraniu modułów danych dla M87, miał on 5 PB surowych danych do pracy!

sfotografowany z Obłokami Magellana nad głową. Duża liczba anten znajdujących się blisko siebie, jako część ALMA, pomaga stworzyć wiele z najbardziej szczegółowych obrazów obszarów, podczas gdy mniejsza liczba bardziej odległych anten pomaga dostrzec szczegóły w najjaśniejszych miejscach. Dodanie ALMA do Event Horizon Telescope było tym, co umożliwiło skonstruowanie obrazu horyzontu zdarzeń. ESO/C. Malin

Czego się dowiedzieliśmy? Cóż, jest kilka rzeczy, których się dowiedzieliśmy, i będzie wiele historii o różnych szczegółach i niuansach, które pojawią się w nadchodzących dniach i tygodniach. Ale są cztery wielkie wnioski, które każdy powinien być w stanie docenić.

Po pierwsze i najważniejsze, czarne dziury naprawdę istnieją! Ludzie wymyślali wszelkiego rodzaju dziwaczne schematy i scenariusze, aby ich uniknąć, ale pierwszy bezpośredni obraz horyzontu zdarzeń powinien rozwiać wszystkie te wątpliwości. Nie tylko mamy wszystkie pośrednie dowody z LIGO, grawitacyjne pomiary orbit wokół centrum galaktyki i dane z rentgenowskich układów podwójnych, ale teraz mamy obraz horyzontu zdarzeń bezpośrednio.

Po drugie i prawie tak samo zdumiewające, Ogólna Teoria Względności wygrywa ponownie! Teoria Einsteina przewidywała, że horyzont zdarzeń będzie kulisty, a nie spłaszczony lub wydłużony, oraz że region pozbawiony promieniowania będzie miał określony rozmiar w oparciu o zmierzoną masę czarnej dziury. Najbardziej wewnętrzna stabilna orbita kołowa, przewidywana przez Ogólną Teorię Względności, ukazuje jasne fotony, które jako ostatnie uciekają przed grawitacyjnym przyciąganiem czarnej dziury.

Po raz kolejny Ogólna Teoria Względności, nawet poddana nowemu testowi, okazała się niepokonana!

Droga Mleczna może ukazać się Teleskopowi Event Horizon, w zależności od jej orientacji względem nas. Symulacje te zakładają, że horyzont zdarzeń istnieje, że równania rządzące względnością są ważne i że zastosowaliśmy właściwe parametry do naszego interesującego systemu. Zauważ, że są to symulacje, które mają już 10 lat, z 2009 roku. Wow, ależ one były dobre! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

Po trzecie, dowiedzieliśmy się, że nasze symulacje przewidujące jak powinna wyglądać emisja radiowa wokół czarnej dziury były naprawdę, naprawdę dobre! To mówi nam, że nie tylko bardzo dobrze rozumiemy środowisko wokół czarnych dziur, ale także rozumiemy dynamikę materii i gazu, który je otacza. To dość spektakularne osiągnięcie!

I po czwarte, dowiedzieliśmy się, że masa czarnej dziury, którą wywnioskowaliśmy z obserwacji grawitacyjnych jest prawidłowa, a masa czarnej dziury, którą wywnioskowaliśmy z obserwacji rentgenowskich jest systematycznie za niska. Dla M87, te szacunki różniły się o czynnik 2; dla Sagittarius A*, różniły się o czynnik 1,5.

Teraz wiemy, że grawitacja jest drogą do celu, jako że szacunki 6,6 miliarda mas Słońca z grawitacji M87 zgadzają się spektakularnie z wnioskami Event Horizon Telescope’s 6,5 miliarda mas Słońca. Nasze obserwacje rentgenowskie, w istocie, są skrzywione w kierunku wartości, które są zbyt niskie.

Supermasywna czarna dziura w jądrze Drogi Mlecznej. Gwiazdy te, obserwowane w podczerwieni, mogą śledzić swoje orbity w odległości zaledwie kilku lat świetlnych od Sagittariusa A*, co pozwala nam zrekonstruować masę centralnej czarnej dziury. Podobne, choć bardziej skomplikowane metody zostały użyte do zrekonstruowania masy grawitacyjnej czarnej dziury w M87. Rozwiązując centralną czarną dziurę bezpośrednio w M87, byliśmy w stanie potwierdzić, że masy wywnioskowane z grawitacji odpowiadają rzeczywistym rozmiarom horyzontu zdarzeń, podczas gdy obserwacje rentgenowskie tego nie potwierdzają. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Będzie jeszcze więcej rzeczy do odkrycia, gdy będziemy kontynuować badania za pomocą Event Horizon Telescope. Możemy dowiedzieć się, dlaczego czarne dziury rozbłyskują i czy istnieją przejściowe cechy, które pojawiają się w dysku akrecyjnym, takie jak gorące plamy. Możemy dowiedzieć się, czy położenie centralnej czarnej dziury zmienia się w czasie, co pozwoli nam wnioskować o istnieniu mniejszych, dotychczas niewidocznych czarnych dziur w pobliżu supermasywnych, centralnych. Możemy dowiedzieć się, w miarę jak będziemy gromadzić więcej czarnych dziur, czy masy, które wnioskujemy o czarnych dziurach na podstawie ich oddziaływań grawitacyjnych lub emisji promieniowania rentgenowskiego, są powszechnie nieobiektywne, czy też nie. Możemy też dowiedzieć się, czy dyski akrecyjne mają uniwersalne ustawienie względem galaktyk-gospodarzy, czy też nie.

Ustawienie dysku akrecyjnego twarzą do nas (lewe dwa panele) lub krawędzią do nas (prawe dwa panele) może znacząco zmienić sposób, w jaki czarna dziura się nam ukazuje. Nie wiemy jeszcze, czy istnieje uniwersalne czy przypadkowe ułożenie czarnych dziur i dysków akrecyjnych. 'W kierunku horyzontu zdarzeń – supermasywna czarna dziura w Centrum Galaktyki’, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Nie możemy znać tych odpowiedzi mając tylko nasze pierwsze wyniki, ale to dopiero początek. Żyjemy teraz w świecie, w którym możemy bezpośrednio obrazować horyzonty zdarzeń czarnych dziur. Wiemy, że czarne dziury istnieją; wiemy, że horyzonty zdarzeń są prawdziwe; wiemy, że teoria grawitacji Einsteina została potwierdzona w zupełnie bezprecedensowy sposób. A wszelkie ostatnie wątpliwości, że supermasywne behemoty w centrach galaktyk naprawdę są czarnymi dziurami, teraz wyparowały.

Czarne dziury są prawdziwe i są spektakularne. Przynajmniej w radiowej części widma, dzięki niesamowitemu osiągnięciu Teleskopu Event Horizon, widzimy je jak nigdy dotąd.

Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub inne moje prace tutaj.