Идеята за черните дупки датира от 1783 г., когато ученият от Кеймбридж Джон Мишел осъзнава, че един доста масивен предмет в достатъчно малко пространство може да привлече дори светлина, без да го остави да избяга. Повече от век по-късно Карл Шварцшилд намери точно решение на общата теория на относителността на Айнщайн, която предсказа същия резултат: черна дупка. И Мишел, и Шварцшилд предсказаха ясна връзка между хоризонта на събитията или радиуса на областта, от която светлината не може да избяга, и масата на черната дупка.
За 103 години след прогнозата на Шварцшилд, тя не може да бъде проверена. И само на 10 април 2019 г. учените разкриха първата в историята снимка на хоризонта на събитията. Теорията на Айнщайн работи отново, както винаги.
Въпреки че вече знаехме доста за черните дупки, още преди първата снимка на хоризонта на събитията, тя се промени и изясни много. Имахме много въпроси, които сега имат отговори.
На 10 април 2019 г. сътрудничеството на телескопа „Хоризонт“представи първата успешна снимка на хоризонта на събитията в черната дупка. Тази черна дупка се намира в Messier 87: най-голямата и най-масивна галактика в нашия местен суперкластер от галактики. Ъгловият диаметър на хоризонта на събитията е 42 микро-дъгови секунди. Това означава, че са необходими 23 квадрилиона черни дупки със същия размер, за да покрият цялото небе.
На 55 милиона светлинни години приблизителната маса на черната дупка е 6,5 милиарда пъти по-голяма от тази на Слънцето. Физически това съответства на размер, по-голям от размера на орбитата на Плутон около Слънцето. Ако нямаше черна дупка, щеше да мине светлина около ден, за да мине през диаметъра на хоризонта на събитията. И само защото:
- телескопът на хоризонта на събитията има достатъчно разделителна способност, за да види тази черна дупка
- черна дупка излъчва силно радиовълни
- много малко радиовълни на заден план, за да пречат на сигнала
успяхме да направим този първи кадър. От който сега научихме десет дълбоки урока.
Промоционално видео:
Научихме как изглежда черна дупка. Какво следва?
Това наистина е черна дупка, както се предвижда от общата относителност. Ако някога сте виждали статия, озаглавена „теоретикът смело твърди, че не съществуват черни дупки“или „тази нова теория на гравитацията може да обърне Айнщайн“, предполагате, че физиците нямат проблем да измислят алтернативни теории. Въпреки че общата относителност е преминала всички тестове, на които я поставяме, физиците нямат недостиг на разширения, замествания или възможни алтернативи.
А спазването на черна дупка изключва огромен брой от тях. Вече знаем, че това е черна дупка, а не червей. Знаем, че хоризонтът на събитията съществува и че това не е гола сингулярност. Знаем, че хоризонтът на събитията не е твърда повърхност, тъй като падащата материя трябва да даде инфрачервен подпис. И всички тези наблюдения са в съответствие с общата относителност.
Това наблюдение обаче не казва нищо за тъмната материя, най-модифицираните теории за гравитацията, квантовата гравитация или какво се крие зад хоризонта на събитията. Тези идеи са извън обхвата на наблюденията на EHT.
Гравитационната динамика на звездите дава добри оценки за масите на черна дупка; наблюдение на газ - не. Преди първото изображение на черна дупка имахме няколко различни начина да измерим масите на черните дупки.
Бихме могли или да използваме измервания на звезди - като отделните орбити на звезди близо до черна дупка в нашата собствена галактика, или абсорбционни линии на звезди в M87 - които ни дадоха гравитационна маса, или емисии от газ, който се движи около централната черна дупка.
И за нашата галактика и за M87, тези две оценки бяха много различни: гравитационните оценки бяха с 50-90% по-високи от газообразните. За M87 измерванията на газ показват, че черната дупка има 3,5 милиарда слънца, а гравитационните измервания са по-близо до 6,2 - 6,6 милиарда. Но резултатите от EHT показват, че черната дупка има 6,5 милиарда слънчеви маси, което означава, гравитационната динамика е отличен индикатор за масите на черната дупка, но изводите за газ се изместват към по-ниски стойности. Това е чудесна възможност да преразгледаме нашите астрофизични предположения за орбитален газ.
Тя трябва да бъде въртяща се черна дупка и нейната ос на въртене да се отклонява от Земята. Чрез наблюдения на хоризонта на събитията, радиоемисии около него, мащабна струя и удължени радиоизлъчвания, измерени от други обсерватории, EHT е определил, че това е черна дупка на Кер (въртяща се), а не черна дупка на Шварцшилд (не се върти).
Няма нито една проста характеристика на черна дупка, която бихме могли да изучим, за да определим тази природа. Вместо това трябва да изградим модели на самата черна дупка и на материята извън нея и след това да ги разработим, за да разберем какво се случва. Когато търсите възможни сигнали, които биха могли да се появят, получавате възможност да ги ограничите, така че да съответстват на вашите резултати. Тази черна дупка трябва да се върти, а оста на въртене точки от Земята на около 17 градуса.
Най-накрая успяхме да определим, че около черната дупка има материал, съответстващ на дискове и потоци. Вече знаехме, че M87 има струя - от оптични наблюдения - и че също излъчва в радио и рентгеновите диапазони. Този вид лъчение не може да бъде получено само от звезди или фотони: имате нужда от материя, както и от електрони. Само чрез ускоряване на електрони в магнитно поле можем да получим характерното радио излъчване, което видяхме: синхротронно излъчване.
И също отне невероятно количество работа по моделиране. Като настройвате всички възможни параметри на всички възможни модели, ще научите, че тези наблюдения не само изискват потоци за натрупване, за да обяснят резултатите от радиото, но и непременно предсказват резултати от нерадио вълни - като рентгенови лъчи. Най-важните наблюдения бяха направени не само от EHT, но и от други обсерватории, като рентгеноскопа Чандра. Потоците на екскреция трябва да се нагряват, както се доказва от спектъра на магнитните емисии на M87, в съответствие с релативистични ускоряващи електрони в магнитно поле.
Видимият пръстен демонстрира силата на гравитацията и гравитационните лещи около централната черна дупка; и отново се тества общата относителност. Този пръстен в радио диапазона не съответства на самия хоризонт на събитията и не съответства на пръстена на въртящи се частици. И това също не е най-стабилната кръгла орбита на черна дупка. Не, този пръстен възниква от сфера на гравитационно отдадени фотони, чиито пътища са огънати от гравитацията на черната дупка по пътя към очите ни.
Тази светлина се огъва в по-голяма сфера, отколкото човек би очаквал, ако гравитацията не беше толкова силна. Както пише „Сътрудничество на телескопа на хоризонта“:
"Установихме, че повече от 50% от общия поток в арсекунди преминава близо до хоризонта и че това излъчване рязко се потиска, когато влезе в този регион, с коефициент 10, което е пряко доказателство за прогнозираната сянка на черната дупка."
Общата теория на относителността на Айнщайн отново се оказа правилна.
Черните дупки са динамични явления, радиацията им се променя с течение на времето. С маса от 6,5 милиарда слънца ще отнеме светлина около ден, за да премине хоризонта на събитията на черната дупка. Това приблизително задава времевата рамка, в която можем да очакваме да наблюдаваме промени и колебания в емисиите, наблюдавани от EHT.
Дори наблюдения, продължили няколко дни, ни позволиха да потвърдим, че структурата на излъчената радиация се променя с течение на времето, както беше предвидено. Данните за 2017 г. съдържат четири нощи наблюдения. Дори като разгледате тези четири изображения, можете визуално да видите, че първите две имат сходни характеристики, а последните две също има значителни разлики между първото и последното. С други думи, свойствата на радиацията около черна дупка в M87 се променят с течение на времето.
EHT в бъдеще ще разкрие физическия произход на спукванията на черни дупки. В рентгеновите и радио ленти видяхме, че черна дупка в центъра на нашия собствен Млечен път излъчва кратки изблици на радиация. Въпреки че първото представено изображение на черна дупка показва супермасивен обект в M87, черната дупка в нашата галактика - Стрелец А * - ще бъде също толкова голяма, само че ще се променя по-бързо.
В сравнение с масата на M87 - 6,5 милиарда слънчеви маси - масата на Стрелец А * ще бъде само 4 милиона слънчеви маси: 0,06% от първата. Това означава, че колебанията вече няма да се наблюдават през деня, а в рамките на дори една минута. Характеристиките на черната дупка ще се променят бързо и когато възникне огнище, можем да разкрием нейната същност.
Как са свързани пламъците с температурата и светимостта на радио картината, която видяхме? Има ли магнитно повторно свързване, както при изхвърлянията на короналната маса на нашето Слънце? Има ли нещо спукване в потоците на натрупване? Стрелец А * мига всеки ден, така че ще можем да свържем всички необходими сигнали с тези събития. Ако нашите модели и наблюдения са толкова добри, колкото бяха за M87, може да успеем да определим какво движи тези събития и може би дори да знаем какво попада в черната дупка, създавайки ги.
Ще се появят данни за поляризация, които ще разкрият дали черните дупки имат собствено магнитно поле. Въпреки че всички определено се радвахме, че видяхме първата снимка на хоризонта на събитията на черната дупка, важно е да разберем, че скоро ще се появи напълно уникална картина: поляризацията на светлината, излъчвана от черна дупка. Поради електромагнитната природа на светлината, нейното взаимодействие с магнитното поле ще им отпечата определен поляризационен подпис върху него, което ще ни позволи да реконструираме магнитното поле на черната дупка, както и как тя се променя във времето.
Знаем, че материята извън хоризонта на събитията, като по същество се движи заредени частици (като електрони), генерира собствено магнитно поле. Моделите показват, че линиите на полето могат или да останат в потоци на натрупване, или да преминат през хоризонта на събитията, образувайки своеобразна „котва“в черната дупка. Има връзка между тези магнитни полета, нарастване и растеж на черна дупка и струи. Без тези полета материята в потоците на натрупване не би могла да загуби ъглова инерция и да попадне в хоризонта на събитията.
Данните за поляризацията, благодарение на силата на поляриметричното изображение, ще ни кажат за това. Данните вече имаме: остава да се извърши пълен анализ.
Подобрението на телескопа на хоризонта на събитията ще разкрие наличието на други черни дупки в близост до галактически центрове. Когато една планета се върти около Слънцето, това не се дължи само на факта, че Слънцето има гравитационен ефект върху планетата. Винаги има равна и противоположна реакция: планетата влияе на слънцето. По същия начин, когато обект обикаля около черна дупка, той също упражнява гравитационен натиск върху черната дупка. При наличието на цял набор от масиви в близост до центровете на галактиките - и на теория много невидими черни дупки досега - централната черна дупка трябва буквално да трепне на мястото си, да бъде раздърпана от броуновското движение на околните тела.
Номерът да направите това измерване днес е, че се нуждаете от референтна точка, за да калибрирате позицията си спрямо местоположението на черната дупка. Техниката за такова измерване предполага, че гледате калибратора, после източника, отново калибратора, отново източника и т.н. В същото време трябва да преместите погледа си много бързо. За съжаление атмосферата се променя много бързо и много неща могат да се променят за 1 секунда, така че просто няма да имате време да сравните два обекта. Във всеки случай, не със съвременните технологии.
Но технологиите в тази област се развиват невероятно бързо. Инструментите, използвани в EHT, чакат актуализации и може да успеят да достигнат необходимата скорост до средата на 2020-те. Този пъзел може да бъде решен до края на следващото десетилетие, благодарение на подобрените инструменти.
Накрая телескопът Event Horizon ще види стотици черни дупки. За да разглобите черна дупка, разделителната способност на масива на телескопа трябва да бъде по-добра (т.е. с висока разделителна способност) от размера на обекта, който търсите. В момента EHT може да направи само три известни черни дупки във Вселената с достатъчно голям диаметър: Стрелец A *, центърът на M87, центърът на галактиката NGC 1277.
Но можем да увеличим мощността на окото на хоризонталния телескоп до размера на Земята, ако пуснем телескопите на орбита. На теория това вече е технически постижимо. Увеличаването на броя на телескопите увеличава броя и честотата на наблюденията, както и резолюцията.
Като направим необходимите подобрения, вместо 2-3 галактики, ще можем да намерим стотици черни дупки или дори повече. Бъдещето на фотоалбумите с черни дупки изглежда светло.
Проектът за телескоп „Хоризонт“беше скъп, но се изплати. Днес живеем в ерата на черната дупка астрономия и най-накрая успяхме да ги наблюдаваме със собствените си очи. Това е само началото.
Иля Кел