Hvordan ser et sort hul ud?

I midten af ​​vores galakse ligger en hvirvlende, energiudspyende supermassivt sort hul kaldet Skytten A* eller Sgr A*, for kort. I milliarder af år, omgivende gas og støv er faldet ned i den. Hver 10. 000 år eller deromkring, den sluger en nærliggende stjerne.

Sgr A* (udtales Saj-A-stjerne) er det største sorte hul på vores nattehimmel, men vi ved ikke, hvordan det ser ud tæt på, for vi har aldrig kunnet tage et billede af det.

Dette gælder faktisk for alle sorte huller.

De er allestedsnærværende i vores univers, men de er så små på himlen, vi har ikke et detaljeret billede af nogen af ​​dem.

De billeder, du ser på nettet eller i tv-dokumentarer, er illustrationer eller simulationer baseret på indirekte beviser - observationer af området omkring det sorte hul. Forskere tvivler ikke på, at der eksisterer sorte huller, men uden billede, de kan ikke bevise det med sikkerhed.

Alt dette kan være ved at ændre sig.

I de sidste fire år, professor i astrofysik John Wardle har arbejdet sammen med et team på omkring 200 videnskabsmænd og ingeniører for at skabe et billede af Sgr A*, der ville være vores første billede nogensinde af et sort hul. Initiativet, kaldet Event Horizon Telescope (EHT), færdig med at indsamle data i april 2017. Forskere er i gang med at analysere det.

Afhængigt af resultaterne, billedet, de producerer af Sgr A*, kan se ud som et af disse:

Det virker måske ikke af meget, men at generere dette ru af et billede af Sgr A* svarer til at læse en avisoverskrift på månen, mens du står på Jorden.

Faktisk, den er god nok til at besvare nogle af vores største ubesvarede spørgsmål om et af universets mest mystiske fænomener:Hvordan ser lys og stof ud, når de falder mod et sort hul? Hvad er energistrømmene, der skyder ud af sorte huller, lavet af? Hvilken rolle spillede sorte huller i dannelsen af ​​galakser?

Selvom det er usandsynligt, resultater fra EHT kunne endda kræve justeringer af Einsteins generelle relativitetsteori.

Men før vi når til, om en af ​​de største videnskabsmænd, der nogensinde har levet, ikke fik det helt rigtigt, vi skal starte med det grundlæggende.

Fakta

Sorte huller opstår typisk, når en meget massiv stjerne brænder gennem sit kernebrændsel og kollapser katastrofalt til et utroligt tæt punkt, eller singularitet.

Når gas, stjerner og andet stof kommer tæt nok på det sorte hul, de trækkes mod det sorte huls begivenhedshorisont, en imaginær skal omkring singulariteten. Intet, der passerer over tærsklen til begivenhedshorisonten, kan undslippe det sorte huls tyngdekraft. Og da materien falder ind, det sorte hul bliver mere massivt, og begivenhedshorisonten udvides.

Det viser sig, at sorte huller er overalt. Supermassive ligger i centrum af de fleste galakser. Mindre massive sorte huller er meget mere almindelige. Vores galakse, Mælkevejen, har sandsynligvis omkring 100 millioner sorte huller, selvom vi kun har identificeret et par dusin af dem.

Hvad angår Sgr A*, det er omkring 26, 000 lysår væk fra Jorden med en masse fire millioner gange solens. Det gør det "vimpet" sammenlignet med andre supermassive sorte huller, Wardle siger. Det andet supermassive sorte hul, som EHT studerer, Messier 87 (M87) i midten af ​​Jomfru-klyngen, har en masse på næsten syv milliarder gange solens.

EHT valgte Sgr A* og M87, fordi de er de største supermassive sorte huller set fra Jorden. De er de nemmeste og mest tilgængelige kandidater til studier.

Men hvordan kan vi tage et billede af et sort hul, når det er sort?

God pointe. Faktisk, sorte huller er lige så sorte som rummets sorthed. Ethvert lys, der kommer ind, slipper aldrig ud.

Men omkring et sort hul, der er lys fra en lysende hvirvel af overophedet stof, der endnu ikke falder ned i det sorte hul. Når lyset passerer nær begivenhedshorisonten, det bøjer og bliver forvrænget af trækket fra det sorte huls stærke tyngdekraft.

Denne linse af lyset skitserer et mørkt område kaldet det sorte huls skygge. Størrelsen af ​​skyggen forventes at være to en halv gange størrelsen af ​​begivenhedshorisonten. Størrelsen af ​​begivenhedshorisonten er proportional med massen af ​​det sorte hul. For Sgr A* virker det til at være omkring 15 millioner miles i diameter. Og diameteren på M87, det andet sorte hul EHT studerer, er tusind gange større end det.

Du får billedet:Ved at studere det sorte huls skygge, EHT-forskerne kan finde ud af en hel del om det sorte hul.

Så teknisk set, EHT's videnskabsmænd vil ikke producere et billede af et sort hul. De vil bruge information om skyggen til at udlede information om det sorte hul.

Men da billeddannelse af et sort hul ikke er en mulighed (i hvert fald ikke i øjeblikket), videnskabsmænd betragter et billede af skyggen som et afgørende bevis på et sort huls eksistens.

Indtast John Wardle.

Da Wardle startede med astrofysik i slutningen af ​​1960'erne med at analysere radiobølger udsendt af galakser, "sorte huller var bare en kuriosum, der måske eller måske ikke har eksisteret, " sagde han. "De var et lidt uanset felt for en astronom at være i."

Men et par år senere, feltet eksploderede, og da sorte huller driver energiske jetfly, der udsender radiobølger, han trak naturligt i deres retning (ingen ordspil beregnet).

Som en del af Brandeis Radio Astronomy Group, Wardle studerer "aktive galakser, "en relativt sjælden type superlysende galakse med supermassive sorte huller i deres centrum.

Netværket

Sgr A* er så lille på himlen, at vi ikke har et eneste teleskop på Jorden, der kan se det i detaljer nok til at skabe et foto i høj opløsning.

EHT-forskerne overvandt dette ved at netværke syv teleskoper rundt om på kloden ved hjælp af en teknik kaldet meget lang baseline interferometri (VLBI). Resultatet var et "virtuelt teleskop" med opløsningsevnen som et teleskop på størrelse med Jordens diameter.

I en uge i april 2017, alle syv EHT-teleskoper optog signaler fra Sgr A*. Syv atomure registrerede tidspunktet for ankomsten af ​​signalerne ved hvert teleskop.

Signalernes art og hvornår de ankommer til hvert teleskop vil gøre det muligt for forskere at arbejde baglæns for at konstruere et billede af Sgr A*. Dette kommer til at tage et stykke tid at fuldføre. EHT-teleskoperne indsamlede nok data til at fylde 10, 000 bærbare computere.

Store jetfly

Wardle er især interesseret i at finde ud af mere om de massive stråler af energi, der strømmer fra sorte huller.

Strålerne dannes, når stof uden for et sort hul bliver opvarmet til milliarder af grader. Det hvirvler rundt i det, der kaldes accretion disken. Noget af det passerer point of no return, begivenhedshorisonten, og går ind i det sorte hul.

Men sorte huller er rodet spisere. Noget af sagen vil blive spyttet ud i form af tæt fokuserede (kollimerede) jetfly. Jetflyene rejser tæt på lysets hastighed i titusindvis af lysår.

Det er muligt, at der ikke kommer jetfly fra Sgr *A. Den har ikke været særlig aktiv i de sidste par årtier.

Men hvis jetflyene eksisterer, EHT's teleskoper vil have opfanget deres radiosignaler. Så kan EHT-besætningen bruge informationen til at forsøge at besvare, hvad Wardle siger, er de store ubesvarede spørgsmål om jetflyene:

Hvad er de lavet af, elektroner og positroner, elektroner og protoner, eller elektromagnetiske felter?

• Hvordan begynder de?
• Hvordan accelererer de til næsten lysets hastighed?
• Hvordan holder de sig tæt fokuseret?

Og nu, endelig, vi kommer til Einstein

Indtil for ganske nylig, beviser, der understøtter teorien om generel relativitet (GR) er kommet fra observationer af vores solsystem. Men forholdene i vores lille plet af universet er ret milde. De ekstreme forhold fundet nær et sort hul vil sætte GR på den ultimative prøve.

GR skal præcist beskrive, hvordan lyset bøjes, når det sorte huls massive tyngdekraft kurver rumtiden og trækker alt hen imod sig. Dataene indsamlet af EHT vil give målinger af dette fænomen, som kan sammenlignes med Einsteins forudsigelser.

GR's formler tyder også på, at skyggen af ​​tilvækstskiven omkring Sgr A* vil være næsten cirkulær. Hvis det viser sig at være formet som et æg, det vil fortælle os, at der også er noget galt med GR.

Wardle mener, at GR vil holde stand under test. Stadig, der er altid en chance for, at GR "må justeres, " sagde han. "Så vil vi være i en alvorlig spændejakke, fordi du ikke kan lave ændringer, der ødelægger alle de andre ting, der virker. Det ville være meget spændende."