Teleskop/teleskopgrupper som är kopplade till Event Horizon Telescope pekade på Messier 87. Så här ser ett supermassivt svart hål ut, och händelsehorisonten syns tydligt. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Variety is not just the spice of life, but a natural consequence of living in our Universe. Gravitationen, som lyder samma universella lagar i alla skalor, skapar klumpar och kluster av materia i en enorm uppsättning kombinationer, från tunna gasmoln till massiva stjärnor, allt samlat i galaxer, kluster och en stor kosmisk väv.

Från vårt perspektiv på jorden finns det enormt mycket att observera. Vi kan dock inte se allt. När de mest massiva stjärnorna dör blir deras lik till svarta hål. Med så mycket massa i en så liten rymdvolym kan ingenting – inga signaler av något slag – ta sig ut. Vi kan upptäcka den materia och det ljus som sänds ut runt dessa svarta hål, men inom händelsehorisonten kan ingenting undkomma. I en otrolig framgångshistoria för vetenskapen har vi just lyckats avbilda en händelsehorisont för första gången. Här är vad vi såg, hur vi gjorde det och vad vi har lärt oss.

den i centrum av galaxen M87, är omkring 1000 gånger större än Vintergatans svarta hål, men ligger över 2000 gånger längre bort. Den relativistiska jet som utgår från dess centrala kärna är en av de största och mest kollimerade jetstrålar som någonsin observerats. Detta är den galax som visar oss vår första händelsehorisont någonsin. ESA/Hubble och NASA

Vad såg vi? Vad du ser beror på var du tittar och hur du observerar. Om vi vill se en händelsehorisont var vår bästa chans att titta på det svarta hål som skulle se störst ut från vårt perspektiv på jorden. Det betyder att det måste ha det största förhållandet mellan sin faktiska, fysiska storlek och sitt avstånd från oss. Det kan finnas så många som en miljard svarta hål i vår egen galax, men det massivaste som vi känner till – i särklass – ligger ungefär 25 000 ljusår bort: i Vintergatans centrum.

Detta är det största svarta hålet, i termer av den vinkelmässiga storleken på dess händelsehorisont, som är synligt från jorden, med en uppskattad massa på 4 miljoner solar. Det näst största är mycket mer avlägset men mycket, mycket större: det svarta hålet i centrum av M87. Detta svarta hål är uppskattningsvis 60 miljoner ljusår bort, men väger uppskattningsvis 6,6 miljarder solar.

siluett mot bakgrunden av radiostrålningen bakom den, avslöjas av Event Horizon-teleskopet i en galax cirka 60 miljoner ljusår bort. Massan hos det svarta hålet i centrum av M87, som rekonstruerats av Event Horizon-teleskopet, visar sig vara 6,5 miljarder solmassor. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Event Horizon Telescope försökte avbilda händelsehorisonterna i båda dessa, med blandade resultat. Det svarta hålet i mitten av Vintergatan – känt som Sagittarius A* – som ursprungligen uppskattades vara något större än sin motsvarighet i M87, har ännu inte fått sin händelsehorisont avbildad. När man observerar universum får man inte alltid det man förväntar sig. Ibland får man det som universum ger en. I stället var det M87′s svarta hål som kom igenom först, vilket var en mycket ljusare och mycket renare signal.

Vad vi har hittat är spektakulärt. De mörka pixlarna i mitten av bilden är faktiskt silhuetten av själva händelsehorisonten. Ljuset som vi observerar kommer från den accelererade, upphettade materian runt omkring, som måste avge elektromagnetisk strålning. Där materien finns sänder den ut radiovågor, och den mörka cirkeln vi ser är där bakgrundsradiovågorna blockeras av själva händelsehorisonten.

Hålet i centrum av vår galax: Sagittarius A*. Det har en massa på cirka fyra miljoner solar och är omgivet av het, röntgenstrålande gas. Röntgenstrålning: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

För M87 såg vi allt vi kunde ha hoppats på. Men för Sagittarius A* hade vi inte riktigt lika mycket tur.

När du tittar på ett svart hål är det du försöker se bakgrundsradioljuset som omger den enorma massan i galaxens centrum, där det svarta hålets egen händelsehorisont ligger i förgrunden av en del av ljuset och avslöjar en silhuett. Detta kräver tre saker som alla står i linje till din fördel:

1. Du måste ha rätt upplösning, vilket innebär att ditt teleskop (eller teleskopgrupp) måste se objektet du tittar på som mer än en enda pixel.
2. Du behöver en galax som är radioljudande, vilket innebär att den sänder ut en radiobakgrund som är tillräckligt stark för att faktiskt sticka ut mot händelsehorisontens silhuett.
3. Och du behöver en galax som är radiotransparent, vilket innebär att du faktiskt kan se hela vägen till det svarta hålet utan att bli störd av radiosignaler i förgrunden.

Det som finns i centrum av galaxen M87 visas i tre vyer här. Överst är den optiska från Hubble, längst ner till vänster är det radio från NRAO och längst ner till höger är det röntgen från Chandra. Trots sin massa på 6,6 miljarder solar är den över 2000 gånger längre bort än Sagittarius A*. Event Horizon-teleskopet försökte se dess svarta hål i radio och lyckades, vilket det inte lyckades med när det gällde Sagittarius A*. Överst, optisk, Hubble Space Telescope / NASA / Wikisky; nedre vänster, radio, NRAO / Very Large Array (VLA); nedre höger, röntgen, NASA / Chandra X-ray telescope

Vi har betraktat utsträckta emissioner från runt svarta hål många gånger i många våglängder av ljus, inklusive i radiodelen av spektrumet. Även om M87 kan uppfylla alla tre nödvändiga kriterier, hade det svarta hålet i centrum av vår egen galax inte ett tillräckligt signal-brusförhållande för att skapa en bild, möjligen på grund av de mycket lägre nivåerna av strålningsintensitet. Det är synd, eftersom vi skulle ha älskat en bättre bild av ett andra svart hål, och det största, sett till vinkelstorlek, på jordens himmel. Vi får dock det universum vi har, inte det vi hoppas på.

Det tredje största svarta hålet sett från jorden finns i centrum av den avlägsna galaxen NGC 1277. Även om Event Horizon-teleskopet har rätt upplösning för att se det, är det en radiotyst galax, och därför finns det inte tillräckligt med radiobakgrund för att se sihouetten. Det fjärde största svarta hålet finns i närheten, i mitten av Andromeda, men vår upplösning, även med Event Horizon-teleskopet, är för låg för att se det.

arrayer som bidrar till Event Horizon Telescope’s avbildningsmöjligheter från en av jordens halvklot. De data som togs från 2011 till 2017, och särskilt under 2017, har nu gjort det möjligt för oss att konstruera en bild av ett svart håls händelsehorisont för första gången. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Hur såg vi det? Detta är typ den mest anmärkningsvärda delen. Event Horizon Telescope, liksom alla teleskop, behöver två olika aspekter av de data det samlar in för att passera en kritisk tröskel.

1. Det måste samla in tillräckligt med ljus för att kunna skilja signal från brus, radioljudande områden från radioljudande tysta områden, och området som omger det svarta hålet från resten av omgivningen runt det galaktiska centrumet.
2. Den måste uppnå en tillräckligt hög upplösning så att de exakta detaljerna kan lokaliseras i sin korrekta vinkelposition i rymden.

Vi behöver båda dessa för att kunna rekonstruera alla detaljer hos alla astronomiska objekt, inklusive ett svart hål. Event Horizon-teleskopet hade en enorm utmaning att övervinna för att överhuvudtaget få en bild av något svart hål, på grund av den pyttesmå vinkelstorleken.

simulerad här, är den största som setts från jordens perspektiv. Event Horizon Telescope kom just ut med, tidigare idag (10 april 2019), sin första bild av hur ett svart håls händelsehorisont ser ut. Storleken på händelsehorisonten (vit) och storleken på det område som saknar ljus (svart) har de förhållanden de gör som förutses av den allmänna relativitetsteorin och massan hos själva det svarta hålet. Ute Kraus, fysikutbildningsgruppen Kraus, Universität Hildesheim; bakgrund: Axel Mellinger

Eftersom regionerna runt svarta hål accelereras till så höga hastigheter genererar materian i dem – som består av laddade partiklar – starka magnetfält. När en laddad partikel rör sig i ett magnetfält avger den strålning, och det är därifrån radiosignalerna kommer. Till och med ett blygsamt radioteleskop, med en diameter på bara några få meter, räcker för att fånga upp signalen. När det gäller ljusinsamlingskraft är det ganska enkelt att observera signalen över bruset.

Men upplösningen är extremt utmanande. Den är beroende av antalet våglängder av ljus som kan rymmas över ditt teleskops diameter. För att se det lilla svarta hålet i vår galaxs centrum skulle vi behöva ett optiskt teleskop med en diameter på 5 000 meter; i radio, där vågorna är mycket längre, skulle vi behöva en diameter på cirka 12 000 000 meter!

deltagande teleskop i Event Horizon Telescope (EHT) och Global mm-VLBI Array (GMVA). Den har för första gången avbildat skuggan av ett supermassivt svart håls händelsehorisont. ESO/O. Furtak

Det är därför Event Horizon Telescope är så kraftfullt och smart. Tekniken som det använder är känd som Very Long Baseline Interferometry (VLBI), som i princip tar två eller flera teleskop som kan göra samma typer av observationer från två olika platser och låser dem tillsammans.

Då man gör samtidiga observationer får man bara ljusinsamlingskraften hos de enskilda parabolerna adderade tillsammans, men man får upplösningen av avståndet mellan parabolerna. Genom att spänna över jordens diameter med många olika teleskop (eller teleskopgrupper) samtidigt kunde vi få de data som var nödvändiga för att lösa upp händelsehorisonten.

Hastigheten har varit den begränsande faktorn i EHT-liknande studier. Proto-EHT påbörjades 2007 och kunde absolut inte utföra någon av de vetenskapliga undersökningar som görs i dag. Detta är en skärmdump från ett föredrag av EHT-forskaren Avery Broderick. Perimeter Institute

Datahastigheterna var otroliga:

• Den registrerar en våg med en frekvens som motsvarar 230 miljarder observationer per sekund.
• Det motsvarar 8 GB per sekund vid varje station.
• Med 8 stationer med teleskop/teleskopgrupper ger en timmes kontinuerliga observationer 225 TB data.
• För en veckas observationer motsvarar det 27 PB (petabyte) data!

Allt för en enda bild av ett svart hål. Efter att datamodulerna för M87 hade sammanförts hade den 5 PB rådata att arbeta med!

som fotograferad med de magellanska molnen ovanför. Ett stort antal paraboler nära varandra, som en del av ALMA, bidrar till att skapa många av de mest detaljerade bilderna i områden, medan ett mindre antal mer avlägsna paraboler bidrar till att skärpa detaljerna på de ljusaste platserna. ALMA:s tillägg till Event Horizon Telescope var det som gjorde det möjligt att skapa en bild av händelsehorisonten. ESO/C. Malin

Vad har vi lärt oss? Det finns en hel del saker vi har lärt oss, och det kommer att finnas många berättelser om de olika detaljerna och nyanserna som kommer fram under de kommande dagarna och veckorna. Men det finns fyra stora behållningar som alla borde kunna uppskatta.

Först och viktigast av allt: svarta hål existerar verkligen! Människor har kokat ihop alla möjliga bisarra system och scenarier för att undvika dem, men den första direkta bilden av en händelsehorisont borde få alla dessa tvivel att försvinna. Vi har inte bara alla indirekta bevis från LIGO, gravitationsmätningar av omloppsbanor runt galaktiska centrum och data från röntgenbinärer, utan vi har nu också en direkt bild av händelsehorisonten.

För det andra, och nästan lika häpnadsväckande, vinner den allmänna relativitetsteorin igen! Einsteins teori förutspådde att händelsehorisonten skulle vara sfärisk, snarare än avlång eller långsträckt, och att det område som saknar strålning skulle vara av en viss storlek baserat på det svarta hålets uppmätta massa. Den innersta stabila cirkulära banan, som förutsägs av den allmänna relativitetsteorin, visar de ljusstarka fotoner som är de sista som flyr från det svarta hålets gravitationskraft.

Ännu en gång kom den allmänna relativitetsteorin obesegrad fram, även när den utsattes för ett nytt test!

Vintergatan kan se ut för händelsehorisontteleskopet, beroende på dess orientering i förhållande till oss. Dessa simuleringar förutsätter att händelsehorisonten existerar, att relativitetsekvationerna är giltiga och att vi har tillämpat rätt parametrar på vårt intressanta system. Observera att dessa simuleringar redan är 10 år gamla, från 2009. Oj, vad bra de var! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

För det tredje fick vi veta att våra simuleringar för att förutsäga hur radioutsläppen runt det svarta hålet skulle se ut var riktigt, riktigt bra! Detta säger oss att vi inte bara förstår miljöerna runt svarta hål mycket väl, utan också att vi förstår dynamiken hos materia och gas som kretsar kring dem. Det är en ganska spektakulär prestation!

För det fjärde fick vi veta att det svarta hålets massa som vi härledde från gravitationsobservationer är korrekt, och att det svarta hålets massa som vi härledde från röntgenobservationer är systematiskt för låg. För M87 skiljde sig dessa uppskattningar åt med en faktor 2; för Sagittarius A* skiljde de sig åt med en faktor 1,5.

Vi vet nu att gravitationen är rätt väg att gå, eftersom uppskattningarna av 6,6 miljarder solmassor från M87′s gravitation stämmer spektakulärt överens med Event Horizon-teleskopets slutsats om 6,5 miljarder solmassor. Våra röntgenobservationer är faktiskt snedvridna mot för låga värden.

supermassivt svart hål i Vintergatans kärna. När dessa stjärnor observeras i det infraröda kan deras banor följas inom bara några ljusår från Sagittarius A*, vilket gör det möjligt för oss att rekonstruera en massa för det centrala svarta hålet. Liknande, men mer komplicerade, metoder har använts för att rekonstruera gravitationsmassan för det svarta hålet i M87. Genom att lösa upp det centrala svarta hålet direkt i M87 kunde vi bekräfta att de massor som härletts från gravitationen stämmer överens med händelsehorisontens faktiska storlek, medan röntgenobservationerna inte gör det. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Det kommer att finnas fler saker att lära sig när vi fortsätter att bedriva vetenskap med Event Horizon Telescope. Vi kan lära oss varför svarta hål flammar upp, och om det finns övergående egenskaper som syns i ackretionsskivan, som heta klumpar. Vi kan ta reda på om det centrala svarta hålets läge flyttar sig över tiden, vilket gör att vi kan dra slutsatser om att det finns mindre, hittills osynliga svarta hål i närheten av de supermassiva, centrala hålen. Vi kan lära oss, när vi samlar in fler svarta hål, om de massor som vi härleder för svarta hål från antingen deras gravitationseffekter eller deras röntgenstrålning, är universellt snedvridna eller inte. Och vi kan lära oss om ackretionsskivor har en universell inriktning mot sina värdgalaxer eller inte.

Med ansiktet på (vänster två paneler) eller med kanten på (höger två paneler) kan det svarta hålet förändra kraftigt hur det ser ut för oss. Vi vet ännu inte om det finns en universell inriktning eller en uppsättning slumpmässiga inriktningar mellan svarta hål och ackretionsskivor. ”Toward the event horizon-the supermassive black hole in the Galactic Center”, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Vi kan inte veta dessa svar med bara våra första resultat, men detta är bara början. Vi lever nu i en värld där vi kan avbilda svarta håls händelsehorisonter direkt. Vi vet att svarta hål existerar, vi vet att händelsehorisonter är verkliga, vi vet att Einsteins gravitationsteori nu har bekräftats på ett helt oväntat sätt. Och alla sista tvivel på att de supermassiva kolosserna i galaxernas centrum verkligen är svarta hål har nu försvunnit.

Svarta hål finns på riktigt, och de är spektakulära. Åtminstone i radiodelen av spektrumet, tack vare Event Horizon-teleskopets otroliga prestation, ser vi dem som aldrig förr.

Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.