Bestræbelser på at afbilde sort hul, en chance for at herske over Einstein

At være astrofysiker og far til to er ingen nem opgave. Bare spørg Dimitrios Psaltis.

En nylig morgen, University of Arizona professor i astronomi og fysik skiftede mellem en opskrift på franske pandekager og en række komplekse computersimuleringer, der sporer omridset af et sort hul.

"Livet går videre, " sagde Psaltis, 2016-2017 Shutzer Fellow ved Harvard's Radcliffe Institute for Advanced Study, der arbejder på at fange det første billede nogensinde af det massive mørke tomrum i midten af ​​Mælkevejen, den, forskerne mener, suger ethvert stof eller stråling op, der vandrer for tæt på dens begivenhedshorisont, eller point of no return.

"Om morgenen, du laver sorte huller, " sagde Psaltis, "om aftenen, du laver Nutella-crepes til dine børn."

At prioritere sin tid er anden natur for Psaltis, en ledende videnskabsmand på Event Horizon Telescope (EHT) projektet, en multinational indsats, der involverer mere end 100 forskere, inklusive hans kone, tidligere Radcliffe-stipendiat Feryal Özel, og en række superdrevne radioteleskoper spredt rundt på kloden. Næste forår vil disse teleskoper forvandle Jorden til ét kæmpe øje, når de alle peger på Skytten A* - det sorte hul i centrum af galaksen, som først blev forudsagt af Albert Einstein og hans generelle relativitetsteori, og siden da emnet for studier af utallige teoretiske fysikere, blandt dem den berømte kosmiske detektiv Stephen Hawking.

Under sit fællesskab, Psaltis vil forfine de computersimuleringer, han og hans team vil bruge, når de analyserer EHT-data for at bestemme det sorte huls størrelse og form. Deres resultater kunne bevise, at Einsteins teori - forestillingen om, at tyngdekraften skyldes krumningen af ​​kontinuumet kendt som rum-tid - er nøjagtig. Eller, måske, bare lidt væk.

"Det, vi leder efter, er ikke en beskrivelse af tyngdekraften, " han sagde, "men den beskrivelse, der tilfældigvis er den, der beskriver vores univers."

For at lave disse beregninger, forskere bliver nødt til at se, hvad der hidtil har været usynligt. Men hvordan fanger du nøjagtigt billedet af en spinning, kæmpe sort afgrund? Det gør du ikke, sagde Psaltis. Du tager et billede af dens skygge.

Hvirvlende omkring Skytten A* er ladede partikler, der er blevet kastet ud fra overfladen af ​​nærliggende stjerner. Bevægelse med supersoniske hastigheder, disse partikler opvarmes millioner af grader for at danne en skinnende masse af plasma, eller "accretion disk, " omkring kanten af ​​det sorte hul, før de opsluges.

"Plasmaet er så varmt, at det faktisk gløder i radiobølgerne, der er registreret af teleskoperne, " sagde Psaltis. "Du sætter et sort hul foran det glødende plasma, og du får en skygge, du får en silhuet."

Men, som special effects-teamet til filmen "Interstellar" opdagede, at producere et realistisk billede af et sort hul er enormt tidskrævende. (Nogle individuelle billeder af filmen tog efter sigende 100 timer at gengive.) Ivrig efter at fremskynde processen, Psaltis og hans team hackede ind i deres computers grafikkort, printkortet, der styrer, hvordan billeder vises på skærmen, og gav det lidt ekstra.

"Vi fik det til at programmere de chips til at udføre gengivelsen i nærvær af et sort hul. ... Vores koder er så hurtige, at vi nu bruger en type Xbox til at styre processen med vores hænder, fordi der ikke er nogen måde at skrive hurtigt nok til at gøre. det."

Hvis billedet af Psaltis og hans kolleger er perfekt rundt, det vil indikere, at Einstein havde fuldstændig ret. Men hvis billedet begynder at bøje sig og bøje, det betyder, at hans teori måske trænger til nogle justeringer.

"Den fine cirkel, som du ser her, har en særlig størrelse, har kun en bestemt form, fordi Einsteins teori fortalte os det, " sagde Psaltis, peger på en simulation på sin skærm. "Hvis teorien er anderledes, både størrelsen og formen vil være anderledes.

"Skyggens form kan bruges til at fortælle os præcis, hvordan gravitationsfeltet ser ud uden for det sorte hul, " tilføjede han. "Og ved at måle det, enten vil vi være i stand til at sige, om Einsteins teori forudsiger det 100 procent, eller hvis der er små justeringer, som vi skal tilføje for at få det rigtigt … dette er den rygende pistol, hvad angår Einsteins tyngdekraft."

Psaltis' nuværende projekt har dybe Harvard-rødder. I 1990'erne, han og Özel var begge på campus, Psaltis laver postdoktoral forskning, hans kommende hustru forfølger sin ph.d. Sammen samarbejdede de med Ramesh Narayan, Thomas Dudley Cabot professor i naturvidenskab, på tidlige simuleringer, der udforskede, hvad der sker med plasmaet omkring et sort hul. Denne forskning var med til at fastslå, at den radiobølgelængde, der ville give dem den bedste chance for at se det sorte huls begivenhedshorisont, var omkring en millimeter lang.

"Vi fandt ud af, at plasmaet bliver mere og mere gennemsigtigt, efterhånden som du går til en højere og højere frekvens, og det er det, vi beregnede, hvor du skal lave den observation for at kunne kigge gennem plasmaet, sagde Psaltis. På en millimeter ser du det sorte huls skygge, " han sagde.

Arbejdet bygger på forskning af Sheperd Doeleman, en astrofysiker ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og hovedefterforsker for Event Horizon-projektet. Det var Doeleman, der først målte størrelsen af ​​den emitterende region af accretion disken, i 2008.

Skeptikere fortsætter. På trods af dets potentiale til at fremme forståelsen af ​​sorte huller og afgive en central videnskabelig bedømmelse af Einsteins arbejde, Forskning som Psaltis' efterlader nogle tvivlende virkninger for livet på Jorden, når Skytten A* er 26, 000 lysår væk. Den indfødte i Grækenland, hvem sagde han får det spørgsmål "hele tiden, " tager sin filosofhat på for at besvare det. Sådanne bestræbelser har en fod i både fortiden og fremtiden, han bemærkede, og kan også belyse specifikke begivenheder og ideer, fra Big Bang til undersøgelser af parallelle universer.

Lige så vigtig er forestillingen om, at dagens forskning kan have sin største effekt i morgen, sagde Psaltis. For at fremføre sin sag, han citerede den tyske matematiker Bernhard Riemanns arbejde, der udfordrede den accepterede model for euklidisk geometri i 1800-tallet ved at forestille sig en verden, hvor to parallelle linjer til sidst krydsede hinanden. Einstein ville fortsætte med at basere den generelle relativitetsteori på Riemanns matematiske ramme.

"Ikke engang i sine vildeste drømme kunne Riemann have forudset det, " sagde Psaltis. "Men hvis han ikke havde spurgt i 1800-tallet, "Er der nogen måde at få to parallelle linjer til at krydse?" vi ville ikke have Einsteins teorier, eller GPS, da din telefon laver beregninger baseret på Einsteins teorier for at bestemme, hvor du er.

"Abstrakt tanke er godt for intellektuel nysgerrighed, " tilføjede han. "Du kan aldrig se, hvor det kan føre dig hen."