Черная дыра в центре нашего Млечного Пути, смоделированная здесь, является самой большой, видимой с точки зрения Земли. Телескоп «Горизонт событий» в этом году должен представить свое первое изображение того, как выглядит горизонт событий этой центральной черной дыры. Белый круг представляет радиус Шварцшильда черной дыры. (UTE KRAUS, ГРУППА ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; ФОН: AXEL MELLINGER)

Научный прорыв года в 2019 году покажет нам горизонт событий черной дыры

Это будет самым экстремальным испытанием общей теории относительности Эйнштейна. И у нас уже есть данные.

С каждым годом общее количество знаний, которые накапливает человечество, только растет и растет. В начале 2015 года человечество никогда не обнаруживало гравитационную волну; в настоящее время мы обнаружили 11, и вполне ожидаем, что, возможно, найдем еще сотни в 2019 году. В начале 1990-х мы не знали, существовали ли какие-либо планеты за пределами нашей Солнечной системы; сегодня у нас есть тысячи, некоторые из которых почти достаточно хороши, чтобы считаться земными.

Мы нашли все частицы в стандартной модели; мы обнаружили, что Вселенная не только расширяется, но и ускоряется; мы определили, сколько галактик во Вселенной. Но в следующем году произойдет что-то новое и беспрецедентное: мы впервые представим горизонт событий черной дыры. Данные уже в руках; остальное - только вопрос времени.

Черные дыры довольно легко обнаружить, если вы знаете, что ищете. Это может показаться нелогичным, потому что они не излучают свой собственный свет, но у них есть три достоверные подписи, которые позволяют нам знать, что они там.

  1. Черные дыры создают огромное количество гравитации - искажение / искривление пространства - в очень маленьком объеме пространства. Если мы можем наблюдать гравитационные эффекты большой компактной массы, мы можем сделать вывод о существовании черной дыры и потенциально измерить ее массу.
  2. Черные дыры сильно влияют на окружающую их среду. Любое вещество поблизости не только будет испытывать интенсивные приливные силы, но будет ускоряться и нагреваться, заставляя его излучать излучение за пределами горизонта событий. Когда мы обнаруживаем это излучение, мы можем восстановить свойства объекта, питающего его, что часто объясняется только черной дырой.
  3. Черные дыры могут вдохновлять и сливаться, заставляя их излучать обнаруживаемые гравитационные волны в течение короткого промежутка времени. Это возможно обнаружить только с помощью новой науки о гравитационно-волновой астрономии.
Самая отдаленная рентгеновская струя во Вселенной, от квазара GB 1428, приблизительно равна расстоянию и возрасту, если смотреть с Земли, как квазар S5 0014 + 81, в котором находится, возможно, самая большая из известных черных дыр во Вселенной. Считается, что эти далекие бегемоты активируются слияниями или другими гравитационными взаимодействиями, но только у черных дыр с наибольшим отношением массы к расстоянию у телескопа горизонта событий есть шанс на разрешение. (Рентген: НАСА / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; ОПТИЧЕСКИЙ: НАСА / STSCI; РАДИО: NSF / NRAO / VLA)

Телескоп «Горизонт событий», однако, стремится пойти на шаг дальше, чем любой из этих методов. Вместо того, чтобы проводить измерения, которые позволяют нам косвенно вывести свойства черной дыры, она идет прямо к сердцу материи и планирует непосредственно изобразить горизонт событий черной дыры.

Способ сделать это прост и понятен, но до недавнего времени он был невозможен с технологической точки зрения. Причиной этого является сочетание двух важных факторов, которые обычно идут рука об руку в астрономии: разрешение и сбор света.

Поскольку черные дыры являются такими компактными объектами, мы должны перейти на чрезвычайно высокое разрешение. Но поскольку мы ищем не сам свет, а его отсутствие, нам необходимо очень тщательно собирать большое количество света, чтобы определить, где действительно находится тень горизонта событий.

Ориентация аккреционного диска в виде лицевой стороны (две панели слева) или ребра (две панели справа) может существенно изменить то, как нам кажется черная дыра. («К ГОРИЗОНТУ СОБЫТИЙ - СУПЕРМАССИВНАЯ ЧЕРНАЯ ДЫРА В ГАЛАКТИЧЕСКОМ ЦЕНТРЕ», КЛАСС. КВАНТОВЫЙ ГРАВ., FALCKE & MARKOFF (2013))

Обычно телескоп с лучшим разрешением и телескоп с лучшей светосилой должны быть одним и тем же телескопом. Разрешение вашего телескопа определяется количеством световых длин волн, которые подходят к тарелке вашего телескопа, поэтому большие телескопы имеют более высокое разрешение.

Точно так же количество света, которое вы можете собрать, определяется площадью вашего телескопа. Любые фотоны, попадающие в телескоп, будут собираться, поэтому, чем больше площадь вашего телескопа, тем больше у вас силы сбора света.

Причиной, по которой технология была ограничивающим фактором, является разрешение. Размер, которым кажется черная дыра, пропорционален ее массе, но обратно пропорционален ее расстоянию от нас. Чтобы увидеть самую большую черную дыру с нашей точки зрения - Стрелец А *, которая находится в центре Млечного Пути, - требуется телескоп, приблизительно равный размеру планеты Земля.

У сверхмассивной черной дыры в ядре Млечного Пути было обнаружено большое количество звезд. В дополнение к этим звездам и газу и пыли, которые мы находим, мы ожидаем, что в течение нескольких световых лет от Стрельца А * будет более 10000 черных дыр, но их обнаружение оказалось неуловимым до более раннего периода в 2018 году. Устранение центральной черной дыры это задача, к которой может подняться только телескоп Горизонта событий (С. САКАЙ / А. ГЕЗ / Наблюдательный центр WM KECK / ГРУППА ГАЛАКТИЧЕСКОГО ЦЕНТРА UCLA)

Очевидно, у нас нет ресурсов, способных создать такое устройство! Но у нас есть следующая лучшая вещь: возможность построить множество телескопов. Когда у вас есть множество телескопов, вы получаете только собирательную мощность отдельных телескопов, которые суммируются вместе. Но разрешение, если оно сделано правильно, позволит вам видеть объекты так же хорошо, как расстояние между самыми дальними телескопами.

Другими словами, сбор света действительно ограничен размером телескопа. Но разрешение, если мы используем технику интерферометрии с длинной базовой линией (или ее двоюродного брата, интерферометрию с очень длинной базовой линией), может быть значительно улучшено с помощью массива телескопов с большим количеством пространства между ними.

Представление различных телескопов, способствующих возможностям визуализации телескопа Event Horizon с одного из полушарий Земли. Данные, взятые с 2011 по 2017 год, позволят нам теперь построить изображение Стрельца А * и, возможно, черной дыры в центре М87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

Телескоп Event Horizon представляет собой сеть из 15–20 телескопов, расположенных на разных континентах Земли, от Южного полюса до Европы, Южной Америки, Африки, Северной Америки, Австралии и ряда островов в Тихом океане. В общей сложности до 12 000 километров отделяет самые отдаленные телескопы, которые являются частью массива.

Это означает, что разрешение составляет всего 15 микроарсекунд (мкс), то есть насколько маленькая муха могла бы показаться нам здесь, на Земле, если бы она находилась на расстоянии 400 000 километров: на Луне.

Вторая по величине черная дыра, видимая с Земли, та, что находится в центре галактики M87, показана здесь в трех видах. Несмотря на массу Солнца в 6,6 миллиардов, он в 2000 раз дальше, чем Стрелец А *. Это может или не может быть разрешено EHT, но если Вселенная будет доброй, мы все-таки получим изображение. (ВЕРХНИЙ, ОПТИЧЕСКИЙ, ХЭБЛБ КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП / НАСА / ВИКИСКИЙ; НИЖНЯЯ ЛЕВАЯ, РАДИО, НРАО / ОЧЕНЬ БОЛЬШАЯ МОЩНОСТЬ (VLA); НИЖНЯЯ ПРАВАЯ, РЕНТГЕН, НАСА / ЧАНДРА РЕНТГЕНИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП)

Конечно, на Луне не может быть никаких мух, но во Вселенной есть черные дыры с угловыми размерами, превышающими 15 мкА. На самом деле их два: Стрелец A * в центре Млечного Пути и черная дыра в центре M87. Черная дыра в центре M87 расположена на расстоянии 50–60 миллионов световых лет от нас, но ее длина составляет более 6 миллиардов солнечных масс, что делает ее более чем в 1000 раз больше гигантской черной дыры нашей галактики.

Телескоп Event Horizon работает, взяв этот огромный массив радиотелескопов и одновременно наблюдая за этими черными дырами, что позволяет нам восстанавливать изображение со сверхвысоким разрешением того, на что мы смотрим, при условии, что собрано достаточно света, чтобы увидеть его , Эта концепция была продемонстрирована ранее с помощью различных обсерваторий, таких как Большой бинокулярный телескоп, который сумел изобразить извергающиеся вулканы на луне Юпитера, Ио, в то время как его затмил другой спутник Юпитера!

Затмение Луны Юпитера, Ио, с его извергающимися вулканами Локи и Пеле, как это скрыто Европой, которая не видна на этом инфракрасном изображении. GMT обеспечит значительно улучшенное разрешение и отображение. (LBTO)

Ключом к тому, чтобы заставить работать телескоп «Горизонт событий», является то, чтобы мы собрали достаточно света, чтобы увидеть тень, отбрасываемую горизонтом событий черной дыры, и в то же время успешно отобразить свет, идущий вокруг и позади него. Помните, что черные дыры ускоряют материю, и ускорение заряженных частиц создает магнитные поля и - если заряженные частицы ускоряются в присутствии магнитных полей - излучение.

Самый безопасный выбор - смотреть на радио часть спектра, которая является самой низкой энергией. Ожидается, что все черные дыры, которые ускоряют материю, испускают радиоволны, и мы видели их как из центра нашего Млечного пути, так и из центра M87. Разница в том, что при этих новых высоких разрешениях мы сможем обнаружить «пустоту», в которой лежит сам горизонт событий.

Большой миллиметровый / субмиллиметровый массив Atacama, сфотографированный с магеллановыми облаками над головой. Большое количество блюд, расположенных рядом друг с другом, как часть ALMA, помогает создавать многие самые подробные изображения в областях, в то время как меньшее количество более удаленных блюд помогает оттачивать детали в самых ярких местах. (ESO / C. MALIN)

Технологическая революция, которая должна позволить создать эти изображения, - это ALMA *: Большой миллиметровый / субмиллиметровый массив Atacama. Невероятная сеть из 66 радиотелескопов, каждый из которых огромен (см. Выше), измеряет этот длинноволновый свет, чтобы раскрыть астрономические детали, как никогда раньше. АЛМА уже показала нам изображения пыльных дисков вокруг вновь образующихся звезд, с свидетельством того, что внутри образовались детские планеты (в виде кольцевых промежутков в диске). ALMA может изобразить ультра-далекие галактики превосходящим то, что может показать даже Хаббл, и нашла сигнатуры молекулярного газа и внутренние вращения.

Но, возможно, его самым большим научным даром будет вся информация, которую он собирает от света, окружающего эти сверхмассивные черные дыры. Записать достаточно (и правильные виды) данных, достаточно быстро, а затем объединить их с достаточной вычислительной мощностью, чтобы проанализировать их, только теперь, впервые, возможно.

Две из возможных моделей, которые могут успешно соответствовать данным Телескопа Горизонта событий до настоящего времени, как и ранее в 2018 году. Обе модели показывают нецентральный асимметричный горизонт событий, который увеличен по сравнению с радиусом Шварцшильда, в соответствии с предсказаниями Общей теории относительности Эйнштейна. Полное изображение еще не было выпущено для широкой публики. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Так что же принесет 2019 год, когда все 27 петабайт данных (из всех различных обсерваторий, рассматривающих эти черные дыры), собранные вместе, будут полностью проанализированы? Появится ли горизонт событий, как предсказывает Общая теория относительности? Есть несколько невероятных вещей для тестирования:

  • имеет ли черная дыра правильный размер, как предсказывает Общая теория относительности,
  • является ли горизонт событий круглым (как предсказано), или сжатым или вытянутым вместо этого,
  • распространяются ли радиоизлучения дальше, чем мы думали,
  • или есть ли другие отклонения от ожидаемого поведения.
Пять различных симуляций в общей теории относительности с использованием магнитной гидродинамической модели аккреционного диска черной дыры и того, как в результате будет выглядеть радиосигнал. Обратите внимание на четкую подпись горизонта событий во всех ожидаемых результатах. (МОДЕЛИРОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВИДИМОСТИ ДЛЯ ТЕЛЕКОПИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ГОРИЗОНТА СОБЫТИЙ SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

Хотя команда телескопов Event Horizon обнаружила структуру вокруг черной дыры в центре нашей галактики, у нас все еще нет прямого изображения. Это требует понимания нашей атмосферы и происходящих в ней изменений, объединения данных и написания новых алгоритмов для их совместной обработки. Это незавершенная работа, но в первой половине 2019 года должны появиться первые, первые изображения. Некоторые из нас надеялись на изображения в этом году или даже в прошлом году, но очень важно, чтобы мы нашли время и заботу, чтобы сделать это правильно.

Когда эти образы наконец-то появятся, больше не будет никаких сомнений относительно того, существуют ли черные дыры и существуют ли они со свойствами, которые предсказывает величайшая теория Эйнштейна. 2019 год будет годом горизонта событий, и впервые за всю историю мы, наконец, узнаем окончательно, как они выглядят.

* - Полное раскрытие: автор проведет ограниченную космическую поездку в Чили, которая включает в себя посещение ALMA, массива телескопов, способствующего сбору данных для этого изображения, в ноябре 2019 года. (Пространства все еще доступны.) Он не получил никакого внешняя компенсация за этот кусок.

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».