Самая наглядная черная дыра из всех, как показано в фильме «Межзвездный», довольно точно показывает прогнозируемый горизонт событий для очень специфического класса вращающихся черных дыр. В глубине гравитационного колодца время для наблюдателей проходит с другой скоростью, чем для нас далеко за его пределами. Ожидается, что телескоп Горизонта событий впервые впервые обнаружит выбросы, окружающие горизонт событий черной дыры. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

6 сверхмассивных вопросов накануне большого анонса телескопа «Горизонт событий»

Как должна выглядеть черная дыра? Наши теоретические предсказания должны соответствовать нашим первым наблюдениям.

В науке нет более захватывающего момента, чем когда вы сталкиваетесь с давним теоретическим предсказанием с первыми наблюдательными или экспериментальными результатами. В начале этого десятилетия Большой адронный коллайдер обнаружил существование бозона Хиггса, последней необнаруженной фундаментальной частицы в Стандартной модели. Несколько лет назад коллаборация LIGO непосредственно обнаружила гравитационные волны, подтверждая давний прогноз общей теории относительности Эйнштейна.

И всего через несколько дней, 10 апреля 2019 года, телескоп Event Horizon сделает долгожданное объявление, в котором ожидается публикация первого в истории изображения горизонта событий черной дыры. В начале 2010-х такое наблюдение было бы технологически невозможно. Но мы не только увидим, как на самом деле выглядит черная дыра, но и протестируем некоторые фундаментальные свойства пространства, времени и гравитации.

Если вы хотите изобразить какой-либо объект во Вселенной, вам необходимо решить следующие две задачи:

  1. Вы должны собрать достаточно света, чтобы увидеть вашу цель и раскрыть ее детали на фоне фонового шума как ваших инструментов, так и других объектов в непосредственной близости от интересующего вас объекта.
  2. Вам нужно достаточное разрешение (или разрешающая способность), чтобы раскрыть структуру объекта, на который вы смотрите, иначе все ваши данные будут ограничены одним простым пикселем.

Поэтому, если вы хотите изобразить горизонт событий черной дыры, вам нужно собрать достаточно света, чтобы излучение вокруг черной дыры выделялось на фоне остальной среды, а также исследовать угловые масштабы, которые уже диаметра события. сам горизонт.

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, но ожидается через несколько дней в 2019 году. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Единственный способ сделать то и другое - с помощью огромного, сверхчувствительного набора радиотелескопов, которые наблюдают самые большие черные дыры с точки зрения угловых размеров, которые видны с Земли. Чем массивнее ваша черная дыра, тем больше будет диаметр горизонта событий, но она будет меньше в зависимости от расстояния. Это означает, что самой большой черной дырой будет Стрелец A *, сверхмассивная в центре Млечного Пути, а вторая по величине будет ультрамассивная в центре галактики M87, на расстоянии около 60 миллионов световых лет.

Несмотря на то, что радиотелескопы с одной тарелкой могут быть способны обнаруживать излучение любого из них, т. Е. Они обладают достаточной мощностью сбора света, они не могут разрешить горизонт событий. Но множество телескопов, все вместе наблюдающие за целью, могут доставить нас туда.

Вид различных телескопов с одного из полушарий Земли, способствующий возможностям визуализации телескопа Горизонт событий. Данные, взятые с 2011 по 2017 год (особенно в 2017 году), должны позволить 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)

Черные дыры должны быть окружены материей, которая находится в медленном процессе пожирания. Этот материал будет разбросан по сторонам черной дыры, вращается вокруг него, нагревается и испускает излучение при его падении. Это излучение должно поступать в радио часть спектра и быть видимым для достаточно чувствительной матрицы телескопа.

Телескоп Event Horizon (EHT) - это именно тот радиомассив, который нам нужен - с самыми потрясающими достижениями, связанными с внедрением ALMA в Южной Америке, - чтобы не только собирать радиоинформацию, но и получать это чрезмерное разрешение. EHT состоит из множества отдельных чашек, обладающих достаточной объединенной способностью собирать свет для выявления излучения, окружающего черную дыру, при этом расстояния между чашками обеспечивают разрешение, необходимое для отображения самих горизонтов 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. Добавление ALMA к телескопу горизонта событий делает возможным создание изображения горизонта событий. (ESO / C. MALIN)

Ранее мы использовали эту технику интерферометрии с длинной базой, чтобы выявить детали, которые были бы невидимы даже для огромного телескопа с одной тарелкой. Пока функции, которые вы пытаетесь наблюдать, достаточно яркие и отображаются в телескопах, которые вы используете для одновременных наблюдений, вы можете достичь разрешения изображения, соответствующего расстоянию между телескопами, а не диаметру индивидуальные телескопы сами.

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)

Наиболее эффектно то, что массивы телескопов использовались до сих пор для изображения извергающихся вулканов на поверхности луны Юпитера Ио, даже в тот момент, когда Ио падает в тень другого спутника Юпитера.

EHT использует ту же самую концепцию, чтобы исследовать излучение, исходящее от черных дыр с наибольшим угловым диаметром, видимым с Земли. Вот шесть вещей, которые мы готовы изучить, когда будут выпущены первые в мире изображения.

Черная дыра в центре нашего Млечного Пути, смоделированная здесь, является самой большой, видимой с точки зрения Земли. Телескоп Event Horizon должен 10 апреля 2019 года выпустить свое первое изображение того, как выглядит горизонт событий этой центральной черной дыры, в то время как тот, что в центре M87, второй по величине, может быть виден также с этой технологией , Белый круг представляет радиус черной дыры Шварцшильда, а темная область должна быть лишена излучения из-за нестабильности орбит вокруг нее. (UTE KRAUS, ГРУППА ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; ФОН: AXEL MELLINGER)

1.) Имеют ли черные дыры правильные размеры, которые предсказывает Общая теория относительности? В соответствии с теорией Эйнштейна, основанной на измеренной гравитационной массе черной дыры центра Млечного пути, сам горизонт событий должен иметь диаметр 11 микросуг-секунд (мкА), но излучение не должно происходить в пределах 37 мкАс. из-за того, что в пределах этого углового диаметра вещество должно быстро закручиваться в сторону сингулярности. С разрешением 15 мкс EHT должен видеть горизонт и измерять, соответствует ли размер нашим прогнозам или нет. Это будет невероятное испытание общей теории относительности.

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))

2.) Аккреционные диски выровнены с черной дырой, галактикой-хозяином или случайно? Мы никогда не наблюдали аккреционный диск раньше, и фактически единственное реальное указание на ориентацию вещества, окружающего черные дыры, мы имеем в случаях, когда:

  • есть испускаемая струя, которую мы можем обнаружить из черной дыры,
  • или есть расширенное излучение из соседнего региона.

Но ни одно из этих наблюдений не может заменить прямого измерения. EHT, когда появятся эти первые изображения, должен быть в состоянии сказать нам, является ли аккреционный диск краевым, лицевым или любым другим направлением.

Некоторые из возможных сигналов профиля горизонта событий черной дыры, как показывают модели телескопа горизонта событий. (НАУКА ВЫСОКОУГЛОВОГО РАЗРЕШЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ, ПОДДЕРЖИВАЕМАЯ БАЛЛООБРАЗНОЙ АЛМА, V. FISH ET AL., ARXIV: 1309.3519)

3.) Является ли горизонт событий черной дыры круговым, как и предполагалось, или он принимает другую форму? Хотя ожидается, что все физически реалистичные черные дыры будут до некоторой степени вращаться, форма горизонта событий, как ожидается, будет неотличима от формы идеальной сферы.

Но возможны и другие формы. Некоторые объекты выпирают вдоль экватора, когда они вращаются, создавая форму, известную как сплюснутый сфериод, такой как планета Земля. Другие ползут вдоль своих осей вращения, в результате чего появляется форма, похожая на футбол, известная как вытянутый сфероид. Если общая теория относительности верна, то сфера - это то, что мы ожидаем, но ничто не заменит наших критических наблюдений. Когда снимки появятся 10 апреля, у нас должны быть ответы.

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 сигнатуру горизонта событий во всех ожидаемых результатах, а также на то, как они могут выглядеть по-разному в деталях в зависимости от турбулентности, напряженности магнитного поля и т. Д. (GRMHD МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИДИМОСТИ ИЗМЕНЕНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ДЛЯ СОБЫТИЙ ГОРИЗОНТА ТЕЛЕСКОПА ИЗОБРАЖЕНИЙ SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

4.) Почему вспыхивают черные дыры? Когда черная дыра находится в нерасвеченном состоянии, есть определенные сигнатуры, которые, как мы ожидаем, появятся вокруг горизонта событий. Но затем, когда вспыхивает черная дыра, существуют различные особенности, которые будет проявлять окружающее ее излучение.

Но как будут выглядеть эти выбросы? Будут ли постоянно присутствовать турбулентные функции на диске? Будут ли «горячие точки», как и предполагалось, наиболее заметны в факельном состоянии? Если нам повезет и мы увидим одну из этих сигнатур, мы сможем узнать, почему вспыхивают черные дыры, просто наблюдая окружающие их расширенные радиоизлучения. На основе этих наблюдений мы также должны узнать дополнительную информацию о силе магнитных полей, окружающих эти черные дыры.

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 не только получим изображение, но и узнаем, дают ли рентгеновские излучения точные оценки массы для черных дыр или нет. (ВЕРХНИЙ, ОПТИЧЕСКИЙ, ХЭБЛБ КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП / НАСА / ВИКИСКИЙ; НИЖНЯЯ ЛЕВАЯ, РАДИО, НРАО / ОЧЕНЬ БОЛЬШАЯ МОЩНОСТЬ (VLA); НИЖНЯЯ ПРАВАЯ, РЕНТГЕН, НАСА / ЧАНДРА РЕНТГЕНИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП)

5.) Смещены ли рентгеновские оценки массы черной дыры в сторону более низких значений? В настоящее время существует два способа определить массу черной дыры: от измерения ее гравитационного воздействия на звезды (и другие объекты), которые вращаются вокруг нее, и от (рентгеновских) излучений газа, который вращается вокруг нее. Мы можем легко провести измерения на основе газа для большинства черных дыр, в том числе в центре Млечного пути, что дает нам массу приблизительно 2,5–2,7 миллиона солнечных масс.

Но гравитационное измерение гораздо более прямое, несмотря на то, что это более сложная задача наблюдения. Тем не менее, мы сделали это в нашей собственной галактике и сделали вывод, что масса около 4 миллионов солнечных масс: примерно на 50% выше, чем показывает рентгеновское наблюдение. Мы полностью ожидаем, что это будет размер горизонта событий, который мы измеряем. Если измерения M87 показывают более высокое значение, чем указывает рентгеновское излучение, мы можем узнать, что рентгеновские оценки систематически низки, что показывает нам, что в игру вступает новая астрофизика (но не новая фундаментальная физика).

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 Event Horizon, и которая может со временем обнаружить его движение. (С. САКАЙ / А. ГЕЗ / ОБСЕРВАТОРИЯ WM KECK / ГРУППА ГАЛАКТИЧЕСКОГО ЦЕНТРА УКЛА)

6.) Можем ли мы увидеть, как черная дыра «дрожит» с течением времени, как и предсказывалось? Эта проблема может появиться не сразу, особенно если все, что мы получаем из этих первоначальных наблюдений, это одно изображение одной или двух черных дыр. Но одна из научных целей EHT - наблюдать, как чёрные дыры развиваются со временем, что означает, что они планируют сделать несколько снимков в разное время и реконструировать фильм об этих чёрных дырах.

Из-за присутствия звезд и других масс видимое положение черной дыры со временем значительно изменится, поскольку она будет гравитационно перемещаться. Хотя, вероятно, потребуются годы, чтобы заметить движение черной дыры в значительной степени, у нас есть данные, которые были получены в течение длительного времени. В центрах галактик EHT-изображенные черные дыры могут начать проявлять признаки этого дрожания: космический эквивалент броуновского движения.

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики, Стрелец A *, ярко вспыхивает в рентгеновских лучах, когда материя поглощается. На других длинах волн света, от инфракрасного до радио, мы можем видеть отдельные звезды в этой самой внутренней части галактики. (Рентген: НАСА / UMASS / D.WANG ET AL., IR: НАСА / STSCI)

Критические наблюдения для создания первого изображения черной дыры, предполагая, что EHT публикует одну из черных дыр в центре Млечного Пути, были предприняты еще в 2017 году: два полных года назад. Это заняло так много времени, чтобы проанализировать, очистить, вырезать, отрегулировать и синтезировать полный набор данных, что составляет около 27 петабайт для критического наблюдения. (Хотя только около 15% этих данных являются релевантными и пригодными для построения изображения.)

В 9 часов утра по восточному времени (6 часов утра по тихоокеанскому времени) 10 апреля сотрудники EHT проведут пресс-конференцию, на которой ожидается выпуск первого изображения горизонта событий, и вполне возможно, что многие - или, возможно, даже все - на эти вопросы будет дан ответ. Какими бы ни были результаты, это является огромным шагом вперед для физики и астрофизики и открывает новую эру науки: прямые тесты и изображения самого горизонта событий черной дыры!

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».