Juodųjų skylių idėja kilo 1783 m., Kai Kembridžo mokslininkas Johnas Michelis suprato, kad pakankamai masyvus objektas, esantis pakankamai mažoje erdvėje, gali pritraukti net šviesą, neleisdamas jam pabėgti. Praėjus daugiau nei šimtmečiui, Karl Schwarzschild rado tikslų Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos sprendimą, kuris numatė tą patį rezultatą: juodąją skylę. Tiek Michell, tiek Schwarzschild numatė aiškų ryšį tarp įvykio horizonto arba regiono, iš kurio šviesa negali išeiti, spindulio ir juodosios skylės masės.
Praėjus 103 metams po Schwarzschildo prognozės, to nebuvo galima patikrinti. Ir tik 2019 m. Balandžio 10 d. Mokslininkai paviešino pirmąją įvykio horizonto nuotrauką. Einšteino teorija vėl veikė, kaip visada.
- „Salik.biz“
Nors mes jau gana daug žinojome apie juodąsias skyles, net prieš pirmąjį įvykio horizonto momentinį vaizdą, tai daug ką pakeitė ir patikslino. Turėjome daug klausimų, į kuriuos dabar turime atsakymus.
2019 m. Balandžio 10 d. „Event Horizon Telescope“bendradarbiavimas pristatė pirmąjį sėkmingą juodosios skylės įvykio horizonto momentinį vaizdą. Ši juodoji skylė yra Mesjerio 87 vietoje: didžiausia ir masiškiausia galaktika mūsų vietiniame galaktikų superklasteryje. Renginio horizonto kampinis skersmuo buvo 42 mikro lanko sekundės. Tai reiškia, kad norint apimti visą dangų, prireiks 23 kvadrilijonų vienodo dydžio juodųjų skylių.
Prognozuojama, kad juodosios skylės masė, nutolusi 55 milijonus šviesmečių, yra 6,5 milijardo kartų didesnė už Saulės masę. Fiziškai tai atitinka dydį, didesnį nei Plutono orbita aplink Saulę. Jei nebūtų juodosios skylės, įvykio horizonto skersmuo praeitų maždaug per dieną. Ir tik todėl:
- įvykio horizonto teleskopas turi pakankamai skiriamąją gebą, kad pamatytų šią juodąją skylę
- juodoji skylė stipriai skleidžia radijo bangas
- labai mažai radijo bangų fone, kad trikdytų signalą
mums pavyko gauti šį pirmąjį kadrą. Iš jų mes išmokome dešimt gilių pamokų.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Sužinojome, kaip atrodo juodoji skylė. Kas toliau?
Tai iš tikrųjų yra juodoji skylė, kaip pranašauja bendrasis reliatyvumas. Jei kada nors esate matę straipsnį pavadinimu „teoretikas drąsiai tvirtina, kad juodųjų skylių nėra“arba „ši nauja gravitacijos teorija galėtų apversti Einšteiną“, manote, kad fizikams nėra problemų sugalvoti alternatyvias teorijas. Nors bendrasis reliatyvumas išlaikė visus mūsų pateiktus testus, fizikams netrūksta pratęsimų, pakeitimų ar galimų alternatyvų.
Stebint juodąją skylę, atmetama daugybė jų. Dabar mes žinome, kad tai yra juodoji skylė, o ne kirminų skylė. Mes žinome, kad įvykių horizontas egzistuoja ir kad tai nėra nuogas išskirtinumas. Mes žinome, kad įvykio horizontas nėra tvirtas paviršius, nes krintanti medžiaga turi duoti infraraudonųjų spindulių parašą. Ir visi šie pastebėjimai atitinka bendrąjį reliatyvumą.
Tačiau šis pastebėjimas nieko nesako apie tamsiąją materiją, labiausiai modifikuotas gravitacijos, kvantinės gravitacijos teorijas ar tai, kas slypi už įvykio horizonto. Šios idėjos nepatenka į EHT pastebėjimų sritį.
Žvaigždžių gravitacinė dinamika leidžia gerai įvertinti juodosios skylės mases; dujų stebėjimas - ne. Prieš pirmąjį juodosios skylės atvaizdą turėjome keletą skirtingų būdų išmatuoti juodųjų skylių masę.
Mes galėtume naudoti žvaigždžių matavimus - pavyzdžiui, atskiras žvaigždžių orbitas šalia juodosios skylės mūsų pačių galaktikoje arba žvaigždžių absorbcijos linijas M87 -, kurios suteikė mums gravitacinę masę, arba dujų, išmetamų aplink centrinę juodąją skylę, emisiją.
Tiek mūsų galaktikos, tiek M87 atveju šie du įverčiai buvo labai skirtingi: gravitaciniai įverčiai buvo 50–90% didesni nei dujiniai. M87 dujų matavimai parodė, kad juodoji skylė turėjo 3,5 milijardo saulės, o gravitaciniai matavimai buvo artimesni 6,2 - 6,6 milijardų. Bet EHT rezultatai parodė, kad juodoji skylė turi 6,5 milijardo saulės masių, o tai reiškia, gravitacinė dinamika yra puikus juodųjų skylių masių rodiklis, tačiau išvados dėl dujų juda mažesnių verčių link. Tai puiki proga dar kartą peržiūrėti mūsų astrofizines prielaidas apie orbitos dujas.
Tai turėtų būti besisukanti juodoji skylė, o jos sukimosi ašis nukreipta toliau nuo Žemės. Stebėdamas įvykio horizontą, radijo spinduliuotę aplink jį, didelio masto reaktyvinį įrenginį ir išplėstines radijo emisijas, išmatuotas kitose observatorijose, EHT nustatė, kad tai yra Kerro juodoji skylė (besisukanti), o ne Schwarzschildo juodoji skylė (nesisukanti).
Nėra nė vienos paprastos juodosios skylės savybės, kurią galėtume ištirti, kad nustatytume šią prigimtį. Vietoj to, mes turime sukurti pačios juodosios skylės ir jos išorės dalyko modelius, o paskui juos tobulinti, kad suprastume, kas vyksta. Ieškodami galimų signalų, kurie gali atsirasti, gausite galimybę juos apriboti, kad jie atitiktų jūsų rezultatus. Ši juodoji skylė turėtų suktis, o sukimosi ašis nukreipta nuo Žemės maždaug 17 laipsnių kampu.
Galiausiai sugebėjome nustatyti, kad aplink juodąją skylę yra medžiagos, atitinkančios sukaupimo diskus ir srautus. Mes jau žinojome, kad M87 turėjo purkštuką - iš optinių stebėjimų - ir kad jis taip pat sklinda radijo ir rentgeno spinduliuose. Šios rūšies radiacija negali būti gaunama tik iš žvaigždžių ar fotonų: jums reikalinga materija, taip pat elektronai. Tik pagreitindami elektronus magnetiniame lauke, galime gauti būdingą radijo spinduliavimą, kurį matėme: sinchrotrono spinduliuotę.
Taip pat prireikė neįtikėtinai daug modeliavimo darbų. Pataisę visus įmanomus visų galimų modelių parametrus, sužinosite, kad šie stebėjimai ne tik reikalauja akreciacijos srautų, kad paaiškintų radijo rezultatus, bet ir būtinai numato neradio bangų rezultatus - kaip rentgeno spinduliai. Svarbiausius stebėjimus atliko ne tik EHT, bet ir kitos observatorijos, pavyzdžiui, „Chandra“rentgeno teleskopas. Akrecijos srautai turėtų įkaisti, ką patvirtina M87 magnetinių išmetamųjų teršalų spektras pagal magnetinio lauko relativistinius greitėjimo elektronus.
Matomas žiedas parodo gravitacijos jėgą ir gravitacinį lęšį aplink centrinę juodąją skylę; ir vėl buvo patikrintas bendras reliatyvumas. Šis radijo diapazono žiedas neatitinka paties įvykio horizonto ir neatitinka besisukančių dalelių žiedo. Tai taip pat nėra pati stabiliausia žiedinė juodosios skylės orbita. Ne, šis žiedas kyla iš gravitaciniu požiūriu lęšių fotonų sferos, kurios kelius į mūsų akis lenkia juodosios skylės sunkis.
Ši šviesa pasislenka į didesnę sferą, nei būtų galima tikėtis, jei gravitacija nebūtų tokia stipri. Kaip rašo „Event Horizon Telescope Collaboration“:
"Mes nustatėme, kad daugiau nei 50% viso srauto per sekundę praeina arti horizonto ir kad ši radiacija smarkiai slopinama, kai ji pasiekia šį regioną, koeficientu 10, o tai yra tiesioginiai įrodymai apie numatomą juodosios skylės šešėlį."
Einsteino bendroji reliatyvumo teorija dar kartą pasirodė teisinga.
Juodosios skylės yra dinaminiai reiškiniai, jų radiacija laikui bėgant keičiasi. Turint 6,5 milijardo saulės masę, maždaug per dieną reikės pravažiuoti juodosios skylės įvykių horizonte. Tai apytiksliai nustato laikotarpį, per kurį galime tikėtis EHT stebimų išmetamųjų teršalų pokyčių ir svyravimų.
Net kelioms dienoms trukę stebėjimai leido mums patvirtinti, kad skleidžiamos radiacijos struktūra laikui bėgant keičiasi, kaip buvo prognozuojama. 2017 m. Duomenis sudaro keturios stebėjimų naktys. Net pažiūrėję į šiuos keturis vaizdus galite vizualiai pamatyti, kad pirmieji du turi panašias savybes, o paskutiniai du taip pat yra ryškūs skirtumai tarp pirmojo ir paskutiniojo. Kitaip tariant, radiacijos savybės aplink juodąją skylę M87 laikui bėgant keičiasi.
EHT ateityje atskleis juodųjų skylių plyšių fizinę kilmę. Tiek rentgeno, tiek radijo juostose matėme, kad juodoji skylė mūsų pačių Paukščių Tako centre skleidžia trumpą spinduliuotės pliūpsnį. Nors pats pirmasis pateiktas juodosios skylės vaizdas rodė supermasyvų objektą M87, juodoji skylė mūsų galaktikoje - Šaulys A * - bus tokia pat didelė, tik greičiau keičiasi.
Palyginti su M87 mase - 6,5 milijardo saulės masių - Šaulio A * masė bus tik 4 milijonai saulės masių: 0,06% pirmosios. Tai reiškia, kad svyravimai nebebus stebimi dienos metu, bet per vieną minutę. Juodosios skylės bruožai greitai pasikeis, o kai įvyks protrūkis, mes galime atskleisti jos pobūdį.
Kaip pliūpsniai yra susiję su mūsų matomo radijo vaizdo temperatūra ir šviesumu? Ar yra magnetinis pakartotinis ryšys, kaip ir mūsų Saulės vainikinės masės išstūmimuose? Ar kažkas burbuliuoja akretavimosi srautuose? Šaulys A * mirksi kasdien, todėl visus reikalingus signalus galėsime susieti su šiais įvykiais. Jei mūsų modeliai ir stebėjimai bus tokie pat geri, kaip ir M87, mes galbūt sugebėsime nustatyti, kas skatina šiuos įvykius, ir galbūt net žinoti, kas patenka į juos sukuriančią juodąją skylę.
Atsiras poliarizacijos duomenys, kurie atskleis, ar juodosios skylės turi savo magnetinį lauką. Nors mes visi be galo džiaugėmės matydami pirmąjį juodosios skylės įvykio horizonto momentinį vaizdą, svarbu suprasti, kad netrukus pasirodys visiškai unikalus vaizdas: iš juodosios skylės sklindanti šviesos poliarizacija. Dėl elektromagnetinės šviesos pobūdžio jos sąveika su magnetiniu lauku ant jos bus atspausdintas tam tikras poliarizacijos ženklas, leidžiantis mums rekonstruoti juodosios skylės magnetinį lauką, taip pat kaip jis keičiasi laikui bėgant.
Mes žinome, kad materija, esanti už įvykio horizonto ribų, yra iš esmės judančios įkrautos dalelės (pavyzdžiui, elektronai) ir sukuria savo magnetinį lauką. Modeliai rodo, kad lauko linijos gali arba likti akrėjos srautuose, arba pereiti per įvykio horizontą, formuodamos savotišką „inkarą“juodojoje skylėje. Tarp šių magnetinių laukų, akrezijos ir juodosios skylės augimo bei purkštukų yra ryšys. Be šių laukų kaupimosi srautuose esanti medžiaga negalėjo prarasti kampinio pagreičio ir patekti į įvykio horizontą.
Poliarizacijos duomenys, dėka poliarimetrinių vaizdų galios, mums apie tai pasakys. Mes jau turime duomenų: belieka atlikti išsamią analizę.
Įvykio horizonto teleskopo patobulinimas atskleis kitų juodųjų skylių buvimą šalia galaktikos centrų. Kai planeta sukasi aplink Saulę, tai ne tik dėl to, kad Saulė turi gravitacinį poveikį planetai. Visada vyksta lygi ir priešinga reakcija: planeta veikia saulę. Panašiai, kai daiktas skrieja pro juodąją skylę, juodoji skylė taip pat patiria gravitacinį slėgį. Esant daugybei masių, esančių šalia galaktikų centrų - ir teoriškai iki šiol turint daug nematomų juodųjų skylių - centrinė juodoji skylė tiesiogine to žodžio prasme turėtų drebėti vietoje, kad ją atitrauktų aplinkinių kūnų Brownas judesys.
Atliekant šį matavimą, šiandien reikia, kad jums reikia atskaitos taško, kad galėtumėte sukalibruoti savo padėtį, palyginti su juodosios skylės vieta. Tokio matavimo technika daro prielaidą, kad jūs žiūrite į kalibratorių, tada į šaltinį, vėl į kalibratorių, vėl į šaltinį ir pan. Tuo pačiu metu reikia labai greitai perkelti žvilgsnį. Deja, atmosfera keičiasi labai greitai ir daug kas gali pasikeisti per 1 sekundę, todėl paprasčiausiai neturėsite laiko palyginti dviejų objektų. Bet kokiu atveju ne su šiuolaikinėmis technologijomis.
Tačiau šios srities technologijos tobulėja neįtikėtinai greitai. EHT naudojamos priemonės laukia atnaujinimų ir gali padėti pasiekti reikiamą greitį iki 2020-ųjų vidurio. Dėl geresnio instrumentavimo šią dėlionę būtų galima išspręsti iki kito dešimtmečio pabaigos.
Pagaliau „Event Horizon“teleskopas ilgainiui išvys šimtus juodųjų skylių. Norėdami išardyti juodąją skylę, teleskopo masyvo skiriamoji geba turi būti geresnė (t. Y. Didelė skiriamoji geba) nei ieškomo objekto dydis. Šiuo metu EHT gali padaryti tik tris žinomas juodąsias Visatos skylutes, kurių skersmuo yra pakankamai didelis: Šaulys A *, M87 centras, galaktikos NGC 1277 centras.
Bet mes galime padidinti „Event Horizon“teleskopo akies galią iki Žemės dydžio, jei teleskopus paleisime į orbitą. Teoriškai tai jau yra techniškai įmanoma. Padidėjus teleskopų skaičiui, padidėja stebėjimų skaičius ir dažnis, taip pat skiriamoji geba.
Atlikdami reikiamus patobulinimus, vietoje 2–3 galaktikų galėsime rasti šimtus juodųjų skylių ar net daugiau. Juodosios skylės nuotraukų albumų ateitis atrodo šviesi.
„Event Horizon“teleskopo projektas buvo brangus, tačiau jis atsipirko. Šiandien mes gyvename juodųjų skylių astronomijos eroje ir pagaliau sugebėjome juos stebėti savo akimis. Tai tik pradžia.
Ilja Khel