В апреле 2017 года все 8 массивов телескопов / телескопов, связанных с телескопом «Горизонт событий», указывали на Мессье 87. Так выглядит сверхмассивная черная дыра, где горизонт событий четко виден. (СОТРУДНИЧЕСТВО ГОРИЗОНТА TELESCOPE ET AL.)

10 глубоких уроков из нашего первого изображения горизонта событий черной дыры

И что нам еще предстоит узнать?

Первоначальная идея черной дыры восходит к 1783 году, когда ученый из Кембриджа Джон Мичелл осознал, что достаточно массивный объект в достаточно маленьком пространстве может сделать все - даже свет - неспособным вырваться из нее. Более века спустя Карл Шварцшильд обнаружил точное решение Общей теории относительности Эйнштейна, которое предсказало тот же результат: черная дыра.

И Мичелл, и Шварцшильд предсказали явную связь между горизонтом событий или радиусом области, из которой свет не может уйти, и массой черной дыры, а также скоростью света. В течение 103 лет после Шварцшильда этот прогноз не прошел проверку. Наконец, 10 апреля 2019 года ученые открыли первую в истории картину горизонта событий черной дыры. Теория Эйнштейна снова победила, как и вся наука.

Вторая по величине черная дыра, видимая с Земли, та, что находится в центре галактики M87, показана здесь в трех видах. В верхней части находится оптический элемент от Хаббла, в нижнем левом углу - радио от NRAO, а в нижнем правом углу - рентгеновский снимок от Чандры. Несмотря на массу Солнца в 6,6 миллиардов, он в 2000 раз дальше, чем Стрелец А *. Телескоп «Горизонт событий» попытался увидеть свою черную дыру в рации, и это место первой чёрной дыры, у которой был обнаружен горизонт событий. (ВЕРХНИЙ, ОПТИЧЕСКИЙ, ХЭБЛБ КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП / НАСА / ВИКИСКИЙ; НИЖНЯЯ ЛЕВАЯ, РАДИО, НРАО / ОЧЕНЬ БОЛЬШАЯ МОЩНОСТЬ (VLA); НИЖНЯЯ ПРАВАЯ, РЕНТГЕН, НАСА / ЧАНДРА РЕНТГЕНИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП)

Хотя мы уже много знали о черных дырах до появления первого прямого изображения горизонта событий, этот новый выпуск действительно можно назвать изменяющим правила игры. До этого открытия у нас было множество вопросов, и теперь на многие из них были успешно получены ответы.

10 апреля 2019 года в сотрудничестве с телескопом «Горизонт событий» было опубликовано первое успешное изображение горизонта событий черной дыры. Эта черная дыра исходит от галактики Мессье 87: самой большой и массивной галактики в нашем локальном сверхскоплении галактик. Был измерен угловой диаметр горизонта событий, равный 42 микро-дуговым секундам, что означало, что для заполнения всего неба потребуется 23 квадриллиона черных дыр эквивалентного размера.

Огромный ореол вокруг гигантской эллиптической галактики Мессье 87 появляется на этом очень глубоком изображении. Избыток света в верхней правой части этого гало и движение планетарных туманностей в галактике являются последними оставшимися признаками галактики среднего размера, которая недавно столкнулась с Мессье 87. ) / ESO)

На расстоянии 55 миллионов световых лет предполагаемая масса для черной дыры в 6,5 миллиардов раз больше нашего Солнца. Физически это соответствует размеру, превышающему размер орбиты Плутона вокруг Солнца. Если бы не было черной дыры, свету понадобилось бы около суток, чтобы пройти через диаметр горизонта событий. Это только потому, что:

  1. у телескопа горизонта событий достаточно разрешения, чтобы увидеть эту черную дыру,
  2. черная дыра является сильным излучателем радиоволн,
  3. и есть очень мало передних радиоизлучений, чтобы загрязнить сигнал,

что мы смогли построить это первое изображение вообще. Теперь, когда мы это сделали, вот 10 глубоких уроков, которые мы либо усвоили, либо уже на пути к обучению.

1. Это действительно черная дыра, как предсказывает Общая теория относительности. Если вы когда-либо видели статью с таким названием, как «теоретик смело заявляет, что черных дыр не существует» или «эта новая теория гравитации может разрушить Эйнштейна», вы, вероятно, соединили воедино, что у физиков нет проблем с выдумкой альтернативные теории для основного направления. Несмотря на то, что Общая теория относительности прошла все испытания, которые мы провели, нет недостатка в расширениях, заменах или возможных заменах.

Ну, это наблюдение исключает кучу из них. Теперь мы знаем, что это черная дыра, а не червоточина, по крайней мере, для наиболее распространенного класса червоточин. Мы знаем, что есть реальный горизонт событий, а не голая сингулярность, по крайней мере, для многих общих классов голых сингулярностей. Мы знаем, что горизонт событий не является твердой поверхностью, так как падающее вещество породило бы инфракрасную подпись. Это, в рамках наших наблюдений, согласуется с общей теорией относительности.

Однако наблюдение также ничего не говорит о темной материи, наиболее модифицированных теориях гравитации, квантовой гравитации или о том, что скрывается за горизонтом событий. Эти идеи выходят за рамки наблюдений телескопа горизонта событий.

У сверхмассивной черной дыры в ядре Млечного Пути было обнаружено большое количество звезд, в то время как M87 предлагает перспективу наблюдения особенностей поглощения от соседних звезд. Это позволяет вам выводить массу для центральной черной дыры, гравитационно. Вы также можете сделать измерения газа, вращающегося вокруг черной дыры. Измерения газа систематически ниже, а гравитационные измерения выше. Результаты телескопа Event Horizon согласуются с гравитационными данными, а не с данными на основе газа. (С. САКАЙ / А. ГЕЗ / ОБСЕРВАТОРИЯ WM KECK / ГРУППА ГАЛАКТИЧЕСКОГО ЦЕНТРА УКЛА)

2. Гравитационная динамика звезд дает хорошие оценки для масс черной дыры; наблюдений за газом нет. До первого изображения телескопа «Горизонт событий» у нас было несколько различных способов измерения масс черных дыр. Мы могли бы использовать измерения звезд - например, отдельные орбиты звезд вокруг черной дыры в нашей собственной галактике или линии поглощения звезд в M87 - которые дают нам гравитационную массу, или выбросы из газа, движущегося вокруг центрального черного цвета. дыра.

Как для нашей галактики, так и для M87 эти две оценки были очень разными: гравитационные оценки были примерно на 50–90% больше, чем газовые оценки. Для M87 измерения газа показали, что масса черной дыры составляет 3,5 млрд. Солнц, а гравитационные измерения были ближе к 6,2–6,6 млрд. По результатам телескопа «Горизонт событий», черная дыра весит 6,5 миллиардов солнечных масс, что говорит нам о том, что гравитационная динамика является хорошим индикатором масс черной дыры, но выводы из газа смещены в сторону более низких значений. Это прекрасная возможность пересмотреть наши астрофизические предположения об орбитальном газе.

Расположенная примерно в 55 миллионов световых лет от Земли, галактика M87 содержит огромную релятивистскую струю, а также потоки, которые проявляются как в радио, так и в рентгеновских лучах. Это оптическое изображение демонстрирует струю; теперь мы знаем из телескопа горизонта событий, что ось вращения черной дыры направлена ​​в сторону от Земли, наклоненную примерно на 17 градусов. (ЕСО)

3. Это должна быть вращающаяся черная дыра, и ее ось вращения оказывается направленной от Земли. С помощью наблюдений за горизонтом событий, радиоизлучением, окружающим его, крупномасштабной струей и расширенными радиоизлучениями, которые были ранее измерены другими обсерваториями, Телескоп коллаборации Event Horizon определил, что это должен быть Керр (вращающийся), а не черная дыра Шварцшильда (не вращающаяся).

Нет ни одной простой возможности, которую мы могли бы рассмотреть, чтобы выявить эту природу. Скорее, мы должны построить ослепительные модели самой черной дыры и вещества вне ее, а затем развить их, чтобы увидеть, что происходит. Когда вы смотрите на различные сигналы, которые могут появляться, вы получаете возможность ограничивать то, что, возможно, согласуется с вашими результатами. Черная дыра должна вращаться, а ось вращения указывает от Земли примерно на 17 градусов.

Концепт-арт аккреционного кольца и струи вокруг сверхмассивной черной дыры. Хотя это было нашей картиной того, как двигатели с черной дырой должны работать долгое время, телескоп Event Horizon предоставил новые доказательства, подтверждающие это. (NASA / JPL-Caltech)

4. Мы смогли окончательно определить, что вокруг черной дыры существует вещество, соответствующее аккреционным дискам и потокам. Мы уже знали, что у M87 была струя из оптических наблюдений, и что она также излучала радиоволны и рентгеновские лучи. Вы не можете получить такой тип излучения только от звезд или фотонов; вам нужна материя, и в частности электроны. Только ускоряя электроны в магнитном поле, вы можете получить характерное радиоизлучение, которое мы видели: синхротронное излучение.

Это также заняло невероятное количество работы по моделированию. Поворачивая различные параметры всех возможных моделей, вы узнаете, что эти наблюдения не только требуют аккреционных потоков для объяснения результатов радиосвязи, но и обязательно предсказывают результаты, не связанные с радиосвязью, такие как рентгеновское излучение. Это сделали не только телескоп Event Horizon, но и другие обсерватории, такие как рентгеновский телескоп Chandra. Аккреционные потоки должны нагреваться, как показывает спектр центральных излучений M87, в соответствии с релятивистскими ускоряющими электронами в магнитном поле.

Это впечатление художника изображает пути фотонов в окрестностях черной дыры. Гравитационный изгиб и захват света горизонтом событий - причина тени, захваченной телескопом горизонта событий. Фотоны, которые не были захвачены, создают характерную сферу, и это помогает нам подтвердить правильность Общей теории относительности в этом недавно испытанном режиме. (Николь Р. Фуллер / NSF)

5. Видимое кольцо указывает на силу гравитации и гравитационного линзирования вокруг центральной черной дыры; опять же, общая теория относительности проходит испытание. Это кольцо радио не соответствует самому горизонту событий и не соответствует ни кольцу вращающихся частиц. Это также не самая стабильная круговая орбита (ISCO) черной дыры. Вместо этого, это кольцо возникает из сферы гравитационно-линзовых фотонов, которые изгибаются под действием силы тяжести черной дыры, прежде чем попасть в наши глаза.

Свет согнут в большую сферу, чем вы могли бы ожидать, если бы гравитация не была такой сильной. Согласно первой из шести работ, выпущенных Телескопом «Горизонт событий»,

«Мы находим, что> 50% от общего потока в угловых секундах исходит из-за горизонта, и что излучение резко подавляется внутрь этого региона в> 10 раз, что является прямым доказательством предсказанной тени черной дыры».

Согласие между предсказаниями Общей теории относительности и тем, что мы здесь увидели, является еще одним замечательным пером в шапке величайшей теории Эйнштейна.

Четыре разных изображения из четырех разных времен ясно показывают, что две пары изображений мало меняются на временной шкале в один день, но значительно раз в 3 или 4 дня. Учитывая временную шкалу изменчивости M87, это чрезвычайно согласуется с нашей картиной того, как черные дыры должны развиваться и развиваться. (СОТРУДНИЧЕСТВО, ГОРИЗОНТ, ТЕЛЕСКОП, СОТРУДНИЧЕСТВО)

6. Черные дыры являются динамическими объектами, и излучение, излучаемое ими, изменяется со временем. С восстановленной массой 6,5 миллиардов солнечных масс свету требуется приблизительно один день, чтобы пройти через горизонт событий черной дыры. Это приблизительно устанавливает временную шкалу, в течение которой мы ожидаем увидеть изменения и колебания объектов в излучении, наблюдаемом телескопом горизонта событий.

Даже с наблюдениями, которые охватывают только несколько дней, мы подтвердили, что структура испускаемого излучения изменяется со временем, как и предсказывалось. Данные за 2017 год содержат четыре ночи наблюдений. Даже взглянув на эти четыре изображения, вы можете визуально увидеть, как первые две даты имеют сходные черты, а последние две даты имеют сходные черты, но между окончательными и поздними наборами изображений есть явные и переменные изменения. Другими словами, характеристики излучения черной дыры M87 со временем действительно меняются.

Сверхмассивная черная дыра нашей галактики засвидетельствовала несколько невероятно ярких вспышек, но ни одна не была такой яркой или продолжительной, как XJ1500 + 0134. Благодаря подобным событиям и многим другим, за галактический центр существует большое количество данных Чандры за 19-летний период времени. Телескоп Event Horizon, наконец, позволит нам исследовать их происхождение. (NASA / CXC / STANFORD / I. ZHURAVLEVA ET AL.)

7. Телескоп «Горизонт событий» в будущем раскроет физическое происхождение вспышек черных дыр. Мы видели, как в рентгеновских лучах, так и в радио, черная дыра в центре нашего Млечного Пути испускает кратковременные вспышки излучения. Хотя самое первое выпущенное изображение было с ультрамассивной черной дырой в M87, изображение в нашей галактике - Стрелец A * - будет таким же большим, но будет меняться в гораздо более короткие сроки.

Масса Стрельца А * составляет не более 6,5 млрд. Солнечных масс, а это всего 4 млн. Солнечных масс: 0,06%. Это означает, что вместо того, чтобы изменяться на временной шкале около суток, мы смотрим на изменчивость на временной шкале около минуты. Его особенности будут развиваться быстро, и когда вспышка произойдет, она должна быть в состоянии выявить природу этих вспышек.

Как вспышки связаны с температурой и яркостью радиосигналов, которые мы можем видеть? Происходят ли события магнитного пересоединения, подобные выбросам корональной массы от нашего Солнца? Что-то разрывается в аккреционных потоках? Стрелец A * вспыхивает ежедневно, поэтому мы сможем отслеживать сигналы, связанные с этими событиями. Если наши моделирования и наблюдения будут такими же хорошими, как и для M87, и они должны быть, мы сможем определить, что движет этими событиями, и, возможно, даже узнать, что попадает в черную дыру, чтобы создать их.

Это впечатление художника изображает окрестности черной дыры, показывая аккреционный диск из перегретой плазмы и релятивистскую струю. Мы еще не определили, имеют ли черные дыры свое собственное магнитное поле, независимое от вещества вне его. (Николь Р. Фуллер / NSF)

8. Поляризационные данные поступают и покажут, имеют ли черные дыры собственное магнитное поле. Хотя все мы, безусловно, наслаждались первым изображением горизонта событий черной дыры, важно понимать, что на подходе совершенно новое изображение, иллюстрирующее поляризацию света, исходящего из черной дыры. Из-за электромагнитной природы света его взаимодействие с магнитным полем запечатлит на нем особую поляризационную сигнатуру, что позволит нам реконструировать магнитное поле черной дыры, а также то, как это поле изменяется со временем.

Мы знаем, что вещество вне горизонта событий, поскольку оно основано на движущихся заряженных частицах (например, электронах), будет генерировать свое собственное магнитное поле. Модели указывают, что линии поля могут либо оставаться в аккреционных потоках, либо проходить через горизонт событий, что приводит к их закреплению черной дырой. Существует связь между этими магнитными полями, аккрецией и ростом черной дыры и испускаемыми ими струями. Без полей не было бы возможности для вещества в аккреционных потоках потерять момент импульса и упасть в горизонт событий.

Поляризационные данные, благодаря мощности поляриметрического изображения, скажут нам об этом. У нас уже есть данные; нам просто нужно выполнить полный анализ.

В центрах галактик существуют звезды, газ, пыль и (как мы теперь знаем) черные дыры, которые вращаются вокруг орбиты и взаимодействуют с центральным сверхмассивным присутствием в галактике. Массы здесь не только реагируют на искривленное пространство, но и сами искривляют пространство. Это должно вызвать дрожание центральных черных дыр, что может дать нам возможность увидеть в будущем обновление телескопа Event Horizon (ESO / MPE / MARC SCHARTMANN)

9. Усовершенствование инструментальных средств для телескопа Event Horizon покажет наличие дополнительных черных дыр вблизи галактических центров. Когда планета вращается вокруг Солнца, это происходит не только потому, что Солнце оказывает гравитационное воздействие на планету. Вместо этого есть равная и противоположная реакция: планета отступает на Солнце. Точно так же, когда объект вращается вокруг черной дыры, он также оказывает гравитационное воздействие на саму черную дыру. С целым рядом масс вблизи центров галактик - и, теоретически, также присутствует много маленьких, невидимых черных дыр - центральная черная дыра должна испытывать броуновское дрожание, подобное движению, до ее положения.

Сегодня сложность в проведении этого измерения заключается в том, что вам нужна контрольная точка для калибровки вашего положения относительно местоположения черной дыры. Техника для измерения этого будет включать в себя взгляд на ваш калибратор, затем на ваш источник, затем на ваш калибратор, затем на ваш источник и т. Д. Это требует очень быстрого взгляда и затем на вашу цель. К сожалению, атмосфера меняется так быстро, в промежутках времени от 1 до 10 секунд, что у вас нет времени, чтобы отвести взгляд и затем вернуться к своей цели. Это невозможно сделать с помощью современных технологий.

Но это сфера, где технологии развиваются невероятно быстро. Инструменты, используемые коллаборацией Event Horizon Telescope, ожидают обновления и могут достичь необходимой скорости к середине 2020-х годов. Эта загадка может быть решена к концу следующего десятилетия, и все это благодаря улучшению инструментовки.

Карта 7-миллионной второй экспозиции Чандра Глубокое Поле-Юг. Эта область показывает сотни сверхмассивных черных дыр, каждая в галактике далеко за пределами нашей. Месторождение GOODS-South, проект Хаббла, было выбрано в центре этого оригинального изображения. Модернизированный телескоп Event Horizon может также просматривать сотни черных дыр. (NASA / CXC / B. LUO ET AL., 2017, APJS, 228, 2)

10. Наконец, телескоп Event Horizon может в конечном итоге увидеть сотни черных дыр. Чтобы устранить черную дыру, вам нужно, чтобы разрешающая способность вашего телескопического массива была лучше (то есть имела более высокое разрешение), чем размер объекта, на который вы смотрите. Для текущего Телескопа Горизонта событий только три известных черных дыры во Вселенной имеют достаточно большой диаметр: Стрелец A *, центр M87 и центр (радиомолчание) галактики NGC 1277.

Но мы могли бы увеличить мощность телескопа горизонта событий за пределы Земли, запустив телескопы на орбиту. Теоретически это уже технологически осуществимо. Фактически, российская миссия Спект-Р (или РадиоАстрон) делает это сейчас! Множество космических кораблей с радиотелескопами на орбите вокруг Земли дало бы намного лучшее разрешение, чем у нас сегодня. Если бы мы увеличили нашу базовую линию в 10 или 100 раз, наше разрешение увеличилось бы на ту же величину. И, аналогично, по мере того, как мы увеличиваем частоту наших наблюдений, мы также увеличиваем наше разрешение, так же как большее количество длин волн высокочастотного света может подходить к телескопу того же диаметра.

Благодаря этим улучшениям вместо 2 или 3 галактик мы могли бы обнаружить черные дыры в сотнях из них, или, возможно, даже больше. Поскольку скорость передачи данных продолжает расти, возможна быстрая передача по нисходящей линии связи, поэтому физически нам не нужно возвращать данные в одно место. Будущее изображений черной дыры ярко.

Важно признать, что мы абсолютно не могли бы сделать это без глобальной международной сети ученых и оборудования, работающих вместе. Вы можете узнать еще больше о подробном рассказе о том, как произошло это впечатляющее достижение, о чем будет рассказано в документальном фильме о Смитсоновском институте, который дебютирует в эту пятницу, 12 апреля.

Многие уже спекулируют, хотя уже слишком поздно в этом году, что это открытие может привести к тому, что Нобелевская премия по физике будет присуждена уже в 2020 году. Если это произойдет, кандидаты на получение этой премии включают:

  • Шеп Доулман, который был пионером, основателем и руководителем этого проекта,
  • Хейно Фальке (Heino Falcke), который написал основную статью, подробно описывающую, как техника VLBI, которую использует телескоп Event Horizon, может отображать горизонт событий,
  • Рой Керр, чье решение для вращающейся черной дыры в Общей теории относительности является основой для деталей, используемых сегодня в каждом моделировании,
  • Жан-Пьер Люминэ, который впервые моделировал изображение черной дыры в 1970-х годах, даже предлагая M87 в качестве потенциальной цели,
  • и Эвери Бродерик, который внес один из самых важных вкладов в моделирование аккреционных потоков вокруг черных дыр.
На этой диаграмме показано расположение всех телескопов и решеток телескопов, которые использовались в наблюдениях телескопа Event Horizon в 2017 году на M87. Только телескоп Южного полюса не смог получить изображение M87, поскольку он расположен в неправильной части Земли, чтобы когда-либо видеть центр этой галактики. (NRAO)

История телескопа «Горизонт событий» - замечательный пример науки с высокой степенью риска и высокой награды. В ходе десятилетнего обзора 2009 года их амбициозное предложение заявило, что к концу 2010-х годов будет сформирована черная дыра. Десять лет спустя у нас это есть. Это невероятное достижение.

Он опирался на вычислительные достижения, строительство и интеграцию множества средств радиотелескопа, а также на сотрудничество международного сообщества. Атомные часы, новые компьютеры, корреляторы, которые могут связывать различные обсерватории, и многие другие новые технологии должны были быть вставлены в каждую из станций. Вам нужно было получить разрешение. И финансирование. И время тестирования. И, кроме того, разрешение наблюдать на всех разных телескопах одновременно.

Но все это произошло, и ничего себе, это когда-либо окупалось. Сейчас мы живем в эпоху астрономии чёрных дыр, и для нас есть возможность увидеть и понять горизонт событий. Это только начало. Никогда еще не было так много получено, наблюдая за регионом, где ничто, даже свет, не может убежать.

Автор благодарит и благодарит ученых EHT Майкла Джонсона и Шепа Доулмана за их невероятную проницательность и информативные интервью, касающиеся первых результатов и будущих возможностей для науки о черных дырах, горизонтах событий и окружающей их среде.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».