Telescoapele/rețelele de telescoape asociate cu Event Horizon Telescope au fost îndreptate spre Messier 87. Așa arată o gaură neagră supermasivă, iar orizontul evenimentelor este clar vizibil. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Varietatea nu este doar condimentul vieții, ci o consecință naturală a vieții în Universul nostru. Gravitația, care se supune acelorași legi universale la toate scările, creează aglomerări și grupuri de materie într-o suită enormă de combinații, de la nori subțiri de gaz la stele masive, toate asamblate în galaxii, roiuri și o mare rețea cosmică.

Din perspectiva noastră de pe Pământ, există o cantitate enormă de observat. Cu toate acestea, nu putem vedea totul. Atunci când cele mai masive dintre stele mor, cadavrele lor devin găuri negre. Cu atât de multă masă într-un volum atât de mic de spațiu, nimic – niciun semnal de orice fel – nu poate ieși. Putem detecta materia și lumina emisă în jurul acestor găuri negre, dar în interiorul orizontului evenimentelor, nimic nu scapă. Într-o poveste de succes incredibil pentru știință, tocmai am reușit pentru prima dată să surprindem un orizont al evenimentelor. Iată ce am văzut, cum am făcut-o și ce am învățat.

cel din centrul galaxiei M87, este de aproximativ 1000 de ori mai mare decât gaura neagră a Căii Lactee, dar este de peste 2000 de ori mai departe. Jetul relativist care emană din nucleul său central este unul dintre cele mai mari și mai colimate jeturi observate vreodată. Aceasta este galaxia care ne arată primul orizont de evenimente din istorie. ESA/Hubble și NASA

Ce am văzut? Ceea ce vedeți depinde de locul în care priviți și de modul în care vă faceți observația. Dacă vrem să vedem un orizont al evenimentelor, cea mai bună opțiune a fost să ne uităm la gaura neagră care ar părea cea mai mare din perspectiva noastră de pe Pământ. Aceasta înseamnă că trebuie să aibă cel mai mare raport între dimensiunea fizică reală și distanța față de noi. Deși este posibil să existe până la un miliard de găuri negre prezente în galaxia noastră, cea mai masivă pe care o cunoaștem – de departe – se află la aproximativ 25.000 de ani-lumină distanță: în centrul galaxiei Calea Lactee.

Aceasta este cea mai mare gaură neagră, din punct de vedere al dimensiunii unghiulare a orizontului său de evenimente, vizibilă de pe Pământ, cu o masă estimată la 4 milioane de Sori. A doua ca mărime este mult mai îndepărtată, dar mult, mult mai mare: gaura neagră din centrul galaxiei M87. Această gaură neagră se află la o distanță estimată la 60 de milioane de ani-lumină, dar are o greutate estimată la 6,6 miliarde de Sori.

silueta pe fundalul emisiilor radio din spatele ei, sunt dezvăluite de Event Horizon Telescope într-o galaxie aflată la aproximativ 60 de milioane de ani-lumină distanță. Masa găurii negre din centrul galaxiei M87, așa cum a fost reconstruită de Event Horizon Telescope, se dovedește a fi de 6,5 miliarde de mase solare. Colaborarea Event Horizon Telescope et al.

Telescopul Event Horizon a încercat să obțină imagini ale orizonturilor de eveniment ale celor două, cu rezultate mixte. Estimată inițial ca fiind puțin mai mare decât omologul său M87, gaura neagră din centrul Căii Lactee – cunoscută sub numele de Sagittarius A* – nu și-a imaginat încă orizontul evenimentelor. Atunci când observi Universul, nu primești întotdeauna ceea ce te aștepți; uneori, primești ceea ce îți oferă el. În schimb, gaura neagră a lui M87 a fost cea care a venit prima, care a fost un semnal mult mai luminos și mult mai curat.

Ce am găsit este spectaculos. Acei pixeli întunecați din centrul imaginii sunt de fapt silueta orizontului evenimentului în sine. Lumina pe care o observăm provine de la materia accelerată și încălzită din jurul său, care trebuie să emită radiații electromagnetice. Acolo unde există materie, aceasta emite unde radio, iar cercul întunecat pe care îl vedem este locul unde unde undele radio de fond sunt blocate de însuși orizontul evenimentelor.

gaura neagră din centrul galaxiei noastre: Sagittarius A*. Are o masă de aproximativ patru milioane de Sori și se găsește înconjurată de gaz fierbinte, care emite raze X. Raze X: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Pentru M87, am văzut tot ceea ce am fi putut spera. Dar pentru Sagittarius A*, nu am fost la fel de norocoși.

Când vizualizați o gaură neagră, ceea ce încercați să vedeți este lumina radio de fundal care înconjoară masa enormă din centrul unei galaxii, unde orizontul de eveniment al găurii negre în sine se află în prim-planul unei părți din lumină, dezvăluind o siluetă. Acest lucru necesită ca trei lucruri să se alinieze toate în favoarea dvs.:

1. Trebuie să aveți rezoluția potrivită, ceea ce înseamnă că telescopul dvs. (sau ansamblul de telescoape) trebuie să vadă obiectul pe care îl vedeți ca fiind mai mult decât un singur pixel.
2. Aveți nevoie de o galaxie care să fie puternică din punct de vedere radio, ceea ce înseamnă că emite un fundal radio suficient de puternic pentru a ieși efectiv în evidență față de silueta orizontului evenimentelor.
3. Și aveți nevoie de o galaxie care să fie radio-transparentă, ceea ce înseamnă că puteți vedea până la gaura neagră fără a fi derutat de semnalele radio din prim-plan.

cea din centrul galaxiei M87, este prezentată aici în trei vederi. În partea de sus este cea optică de la Hubble, în stânga jos este cea radio de la NRAO, iar în dreapta jos este cea cu raze X de la Chandra. În ciuda masei sale de 6,6 miliarde de Sori, se află de peste 2000 de ori mai departe decât Sagittarius A*. Telescopul Event Horizon a încercat să vadă gaura neagră a acestuia în radio și a avut succes, în timp ce Sagittarius A* nu a reușit. Sus, optic, Telescopul spațial Hubble / NASA / Wikisky; jos, stânga, radio, NRAO / Very Large Array (VLA); jos, dreapta, raze X, NASA / Telescopul cu raze X Chandra

Am observat de multe ori emisii extinse din jurul găurilor negre în multe lungimi de undă ale luminii, inclusiv în partea radio a spectrului. În timp ce M87 poate îndeplini toate cele trei criterii necesare, gaura neagră din centrul galaxiei noastre nu a avut un raport semnal-zgomot suficient pentru a crea o imagine, posibil din cauza nivelurilor mult mai scăzute de intensitate a radiației. Păcat, deoarece ne-ar fi plăcut să obținem o imagine mai bună a unei a doua găuri negre, și cea mai mare, ca mărime unghiulară, de pe cerul Pământului. Avem însă Universul pe care îl avem, nu pe cel pe care îl sperăm.

Cea de-a treia gaură neagră ca mărime, văzută de pe Pământ, se află în centrul galaxiei îndepărtate NGC 1277. Deși Telescopul Event Horizon are rezoluția potrivită pentru a o vedea, este o galaxie liniștită din punct de vedere radio și, prin urmare, nu există un fond radio suficient pentru a vedea siueta. A patra gaură neagră ca mărime se află în apropiere, în centrul galaxiei Andromeda, dar rezoluția noastră, chiar și cu Event Horizon Telescope, este prea mică pentru a o vedea.

Matricele de telescoape care contribuie la capacitățile de imagistică ale Event Horizon Telescope de pe una dintre emisferele Pământului. Datele obținute din 2011 până în 2017, și în special în 2017, ne-au permis acum să construim pentru prima dată o imagine a orizontului de evenimente al unei găuri negre. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Cum am văzut-o? Aceasta este oarecum cea mai remarcabilă parte. Telescopul Event Horizon Telescope, ca orice telescop, are nevoie de două aspecte diferite ale datelor pe care le colectează pentru a depăși un prag critic.

1. Acesta trebuie să colecteze suficientă lumină pentru a distinge semnalul de zgomot, regiunile cu zgomot radio de cele liniștite radio și regiunea care înconjoară gaura neagră de restul mediului din jurul centrului galactic.
2. Acesta trebuie să atingă o rezoluție suficient de mare pentru ca detaliile precise să poată fi localizate în poziția lor unghiulară corectă în spațiu.

Am nevoie de ambele pentru a reconstrui orice detaliu al oricărui obiect astronomic, inclusiv al unei găuri negre. Telescopul Event Horizon a avut de depășit o provocare enormă pentru a obține o imagine a oricărei găuri negre, din cauza micimii dimensiunii unghiulare a acesteia.

simulată aici, este cea mai mare văzută din perspectiva Pământului. Telescopul Event Horizon Telescope tocmai a prezentat, mai devreme astăzi (10 aprilie 2019), prima lor imagine a ceea ce arată orizontul de evenimente al oricărei găuri negre. Dimensiunea orizontului evenimentelor (alb) și dimensiunea regiunii lipsite de lumină (negru) au raporturile pe care le au prezise de teoria generală a relativității și de masa găurii negre în sine. Ute Kraus, Grupul de educație fizică Kraus, Universität Hildesheim; fundal: Axel Mellinger

Pentru că regiunile din jurul găurilor negre sunt accelerate la viteze atât de mari, materia din interiorul lor – formată din particule încărcate – generează câmpuri magnetice puternice. Atunci când o particulă încărcată se deplasează într-un câmp magnetic, aceasta emite radiații și de aici provin semnalele radio. Chiar și un radiotelescop de dimensiuni modeste, de doar câțiva metri în diametru, este suficient pentru a capta semnalul. Din punct de vedere al puterii de captare a luminii, observarea semnalului peste zgomot este destul de ușoară.

Dar rezoluția este extrem de dificilă. Aceasta depinde de numărul de lungimi de undă ale luminii care pot încăpea pe diametrul telescopului. Pentru a vedea micuța gaură neagră din centrul galaxiei noastre, am avea nevoie de un telescop optic cu un diametru de 5.000 de metri; în domeniul radio, unde unde undele sunt mult mai lungi, am avea nevoie de un diametru de aproximativ 12.000.000 de metri!

telescoapele participante la Event Horizon Telescope (EHT) și la Global mm-VLBI Array (GMVA). Acesta a imaginat, pentru prima dată, umbra orizontului de evenimente al unei găuri negre supermasive. ESO/O. Furtak

De aceea Telescopul Event Horizon este atât de puternic și de inteligent. Tehnica pe care o folosește este cunoscută sub numele de Very Long Baseline Interferometry (VLBI), care, practic, ia două sau mai multe telescoape care pot face aceleași tipuri de observații din două locații distincte și le blochează împreună.

Prin efectuarea de observații simultane, obțineți doar puterea de colectare a luminii a antenelor individuale adunate împreună, dar obțineți rezoluția distanței dintre antene. Acoperind diametrul Pământului cu multe telescoape diferite (sau rețele de telescoape) simultan, am reușit să obținem datele necesare pentru a rezolva orizontul evenimentelor.

viteza a fost factorul limitativ în studiile de tip EHT. Proto-EHT a început în 2007 și nu era capabil să facă absolut nimic din știința pe care o face astăzi. Aceasta este o captură de ecran de la o discuție a cercetătorului EHT Avery Broderick. Institutul Perimeter

Ratele de date au fost incredibile:

• Înregistrează o undă la o frecvență care corespunde la 230 de miliarde de observații pe secundă.
• Acest lucru corespunde la 8 GB pe secundă la fiecare stație.
• Cu 8 stații de telescoape/rețele de telescoape, o oră de observații continue vă permite să obțineți 225 TB de date.
• Pentru o perioadă de observație de o săptămână, asta înseamnă 27 PB (petabytes) de date!

Toate pentru o singură imagine a unei găuri negre. După ce modulele de date pentru M87 au fost reunite, a avut la dispoziție 5 PB de date brute cu care să lucreze!

așa cum a fost fotografiată cu norii Magellanic deasupra capului. Un număr mare de antene apropiate unele de altele, ca parte a ALMA, ajută la crearea multora dintre cele mai detaliate imagini în zone, în timp ce un număr mai mic de antene mai îndepărtate ajută la precizarea detaliilor în cele mai luminoase locații. Adăugarea ALMA la Event Horizon Telescope a fost ceea ce a făcut posibilă construirea unei imagini a orizontului evenimentelor. ESO/C. Malin

Deci, ce am învățat? Ei bine, sunt o grămadă de lucruri pe care le-am aflat și vor fi multe povești despre diferitele detalii și nuanțe care vor ieși la iveală în următoarele zile și săptămâni. Dar există patru mari concluzii pe care oricine ar trebui să le poată aprecia.

În primul rând și cel mai important, găurile negre chiar există! Oamenii au născocit tot felul de scheme și scenarii bizare pentru a le evita, dar prima imagine directă a unui orizont al evenimentelor ar trebui să pună capăt tuturor acestor îndoieli. Nu numai că avem toate dovezile indirecte de la LIGO, măsurătorile gravitaționale ale orbitelor în jurul centrului galactic și datele de la binariile cu raze X, dar acum avem o imagine directă a orizontului evenimentelor.

În al doilea rând și aproape la fel de uluitor, relativitatea generală câștigă din nou! Teoria lui Einstein a prezis că orizontul evenimentelor va fi sferic, mai degrabă decât oblic sau prolat, și că regiunea lipsită de radiații va avea o anumită dimensiune bazată pe masa măsurată a găurii negre. Orbita circulară stabilă cea mai interioară, prezisă de Relativitatea Generală, arată fotonii luminoși care sunt ultimii care scapă de atracția gravitațională a găurii negre.

Încă o dată, Relativitatea Generală, chiar și atunci când a fost supusă unui nou test, a ieșit neînvinsă!

Calea Lactee poate apărea la Telescopul Orizontul evenimentelor, în funcție de orientarea sa față de noi. Aceste simulări presupun că orizontul evenimentelor există, că ecuațiile care guvernează relativitatea sunt valide și că am aplicat parametrii potriviți sistemului nostru de interes. Rețineți că acestea sunt simulări care sunt deja vechi de 10 ani, datând din 2009. Uau, ce bune au fost! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

În al treilea rând, am aflat că simulările noastre pentru prezicerea modului în care ar trebui să arate emisiile radio din jurul găurii negre au fost foarte, foarte bune! Acest lucru ne spune că nu numai că înțelegem foarte bine mediile din jurul găurilor negre, dar și că înțelegem dinamica materiei și a gazului care o orbitează. Aceasta este o realizare destul de spectaculoasă!

Și în al patrulea rând, am aflat că masa găurii negre pe care am dedus-o din observațiile gravitaționale este corectă, iar masa găurii negre pe care am dedus-o din observațiile cu raze X sunt sistematic prea mici. Pentru M87, aceste estimări diferă de un factor de 2; pentru Sagittarius A*, ele diferă de un factor de 1,5.

Acum știm că gravitația este calea de urmat, deoarece estimările de 6,6 miliarde de masă solară obținute din gravitația lui M87 concordă în mod spectaculos cu concluzia de 6,5 miliarde de masă solară obținută de Event Horizon Telescope. Într-adevăr, observațiile noastre cu raze X sunt înclinate spre valori prea mici.

gaura neagră supermasivă din centrul Căii Lactee. Aceste stele, atunci când sunt observate în infraroșu, pot avea orbitele urmărite la doar câțiva ani lumină de Sagittarius A*, ceea ce ne permite să reconstruim o masă pentru gaura neagră centrală. Metode similare, dar mai complicate, au fost folosite pentru a reconstrui masa gravitațională a găurii negre din M87. Prin rezolvarea directă a găurii negre centrale din M87, am reușit să confirmăm că masele deduse din gravitație se potrivesc cu dimensiunea reală a orizontului evenimentelor, în timp ce observațiile cu raze X nu o fac. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Vor fi mai multe lucruri de învățat pe măsură ce vom continua să facem știință cu Event Horizon Telescope. Putem afla de ce găurile negre explodează și dacă există caracteristici tranzitorii care apar în discul de acreție, cum ar fi pete fierbinți. Putem afla dacă locația unei găuri negre centrale se deplasează în timp, ceea ce ne permite să deducem existența unor găuri negre mai mici, până acum invizibile, în apropierea celor centrale, supermasive. Putem afla, pe măsură ce adunăm mai multe găuri negre, dacă masele pe care le deducem pentru găurile negre, fie din efectele gravitaționale, fie din emisiile lor de raze X, sunt sau nu influențate în mod universal. Și putem afla dacă discurile de acreție au o aliniere universală cu galaxiile lor gazdă sau nu.

orientarea cu fața spre (două panouri din stânga) sau pe margine (două panouri din dreapta) poate modifica foarte mult modul în care ne apare gaura neagră. Nu știm deocamdată dacă există o aliniere universală sau un set de alinieri aleatorii între găurile negre și discurile de acreție. ‘Toward the event horizon-the supermassive black hole in the Galactic Center’, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Nu putem ști aceste răspunsuri doar cu primele noastre rezultate, dar acesta este doar începutul. Trăim acum într-o lume în care putem imagina direct orizonturile de eveniment ale găurilor negre. Știm că găurile negre există; știm că orizonturile de eveniment sunt reale; știm că teoria gravitației a lui Einstein a fost acum confirmată într-un mod cu totul inedit. Și orice ultime îndoieli care mai persistau cu privire la faptul că mastodonții supermasivi din centrul galaxiilor sunt într-adevăr găuri negre s-au evaporat.

Găurile negre sunt reale și sunt spectaculoase. Cel puțin în partea de radio a spectrului, datorită incredibilei realizări a Telescopului Event Horizon, le vedem ca niciodată înainte.

Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu web sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.