Zamisel o črnih luknjah sega v leto 1783, ko je znanstvenik iz Cambridgea John Michell spoznal, da lahko dovolj masiven predmet na dovolj majhnem prostoru pritegne celo svetlobo, ne da bi pustil, da uide. Karl Schwarzschild je več kot stoletje pozneje našel natančno rešitev za splošno teorijo relativnosti Einsteina, ki je napovedovala enak rezultat: črno luknjo. Michell in Schwarzschild sta napovedovala jasno povezavo med obzorjem dogodka ali polmerom območja, iz katerega svetloba ne more uiti, in maso črne luknje.
103 leta po Schwarzschildovi napovedi tega ni bilo mogoče preveriti. In šele 10. aprila 2019 so znanstveniki odkrili prvo fotografijo obzorja dogodkov. Einsteinova teorija je spet delovala, kot vedno.
Čeprav smo o črnih luknjah že precej vedeli, se je že pred prvim posnetkom obzorja dogodkov veliko spremenilo in razjasnilo. Imeli smo veliko vprašanj, ki imajo zdaj odgovore.
10. aprila 2019 je sodelovanje v programu Event Horizon Telescope predstavilo prvi uspešen posnetek obzorja dogodkov v črni luknji. Ta črna luknja se nahaja v Messierju 87: največji in najbolj množični galaksiji v našem lokalnem superklaptu galaksij. Kotni premer obzorja dogodka je bil 42 mikroločnih sekund. To pomeni, da potrebuje 23 kvadratnih milijard črnih lukenj enake velikosti, da pokrije celotno nebo.
Na 55 milijonov svetlobnih let je ocenjena masa črne luknje 6,5 milijarde krat večja od Sončeve. Fizično to ustreza velikosti, večji od velikosti Plutonove orbite okoli Sonca. Če ne bi bilo črne luknje, bi skozi premer obzorja dogodka potreboval približno en dan. In samo zato, ker:
- teleskop obzorja dogodkov ima dovolj ločljivosti, da vidi to črno luknjo
- črna luknja močno oddaja radijske valove
- zelo malo radijskih valov v ozadju, da motijo signal
uspeli smo dobiti prvi posnetek. Iz tega smo se zdaj naučili deset poglobljenih lekcij.
Promocijski video:
Izvedeli smo, kako izgleda črna luknja. Kaj je naslednje?
To je res črna luknja, kot napoveduje splošna relativnost. Če ste kdaj videli članek z naslovom "teoretik drzno trdi, da črne luknje ne obstajajo" ali "bi ta nova teorija gravitacije lahko Einsteina obrnila naokoli", ugibate, da fiziki nimajo težav z alternativnimi teorijami. Čeprav je splošna relativnost prestala vse teste, ki smo jih postavili, fiziki ne primanjkuje podaljškov, nadomestkov ali možnih drugih možnosti.
In videnje črne luknje izključuje ogromno njih. Zdaj vemo, da gre za črno luknjo in ne za črv. Vemo, da obzorje dogodkov obstaja in da ne gre za golo singularnost. Vemo, da obzorje dogodka ni trdna površina, saj mora padajoča snov oddati infrardeči podpis. In vsa ta opažanja so skladna s splošno relativnostjo.
Vendar to opazovanje ne pove ničesar o temni snovi, najbolj spremenjenih teorijah gravitacije, kvantni gravitaciji ali o tem, kaj se skriva za horizontom dogodkov. Te ideje presegajo pripombe EHT.
Gravitacijska dinamika zvezd daje dobre ocene množici črne luknje; opazovanje plina - ne. Pred prvo sliko črne luknje smo imeli več različnih načinov za merjenje mase črnih lukenj.
Lahko bi uporabili meritve zvezd - kot posamezne orbite zvezd blizu črne luknje v lastni galaksiji ali absorpcijske črte zvezd M87 -, ki so nam dale gravitacijsko maso, ali emisije plina, ki se gibljejo okoli osrednje črne luknje.
Tako za našo galaksijo kot za M87 sta bili ti dve oceni zelo različni: gravitacijske ocene so bile za 50-90% višje od plinastih. Za M87 so meritve plina pokazale, da ima črna luknja 3,5 milijarde sončnih žarkov, gravitacijske meritve pa bližje 6,2 - 6,6 milijarde. Toda rezultati EHT so pokazali, da ima črna luknja 6,5 milijarde sončnih mas, kar pomeni, gravitacijska dinamika je odličen pokazatelj mase črnih lukenj, vendar zaključki plina prehajajo v nižje vrednosti. To je odlična priložnost za ponovni pregled naših astrofizičnih predpostavk o orbitalnem plinu.
To bi morala biti vrtljiva črna luknja in njena vrtilna os oddaljena od Zemlje. Z opazovanjem obzorja dogodkov, radijskimi emisijami okoli njega, obsežnim curkom in razširjenimi radijskimi emisijami, ki so jih merili drugi opazovalni objekti, je EHT ugotovil, da gre za črno luknjo Kerr (vrtečo se), ne za Schwarzschildovo črno luknjo (da se ne vrti).
Ni ene same preproste lastnosti črne luknje, ki bi jo lahko preučili, da bi določili to naravo. Namesto tega moramo sami sestaviti modele črne luknje in zadeve zunaj nje, nato pa jih razviti, da bi razumeli, kaj se dogaja. Ko iščete možne signale, ki bi se lahko pojavili, dobite priložnost, da jih omejite tako, da bodo skladni z vašimi rezultati. Ta črna luknja bi se morala vrteti, os vrtenja od Zemlje pa približno 17 stopinj.
Končno smo lahko ugotovili, da je okoli črne luknje material, ki ustreza nabiralnim diskom in potokom. Že takrat smo vedeli, da ima M87 curek - iz optičnih opazovanj - in da oddaja tudi v radijskem in rentgenskem območju. Te vrste sevanja ni mogoče dobiti samo od zvezd ali fotonov: potrebujete materijo in tudi elektrone. Šele s pospeševanjem elektronov v magnetnem polju lahko dobimo značilno radio emisijo, ki smo jo videli: sinhrotronsko sevanje.
In prav tako je bilo potrebno neverjetno veliko manekenskih del. S prilagoditvijo vseh možnih parametrov vseh možnih modelov boste izvedeli, da ta opazovanja ne zahtevajo le akumulacijskih tokov za razlago radijskih rezultatov, ampak tudi nujno napovedujejo rezultate, ki niso radio valovi - kot rentgenski žarki. Najpomembnejša opazovanja niso opravili le EHT, ampak tudi drugi opazovalni objekti, kot je rentgenski teleskop Chandra. Akcesorski tokovi naj bi se segrevali, kar dokazuje spekter magnetnih emisij M87 v skladu z relativističnimi pospeševalnimi elektroni v magnetnem polju.
Vidni obroč prikazuje silo gravitacije in gravitacijske leče okoli osrednje črne luknje; in spet je bila preizkušena splošna relativnost. Ta obroč v radijskem območju ne ustreza samemu obzorju dogodkov in ne ustreza obroču vrtljivih delcev. In tudi ni najbolj stabilna krožna orbita črne luknje. Ne, ta obroč nastane iz sfere gravitacijsko izposojenih fotonov, katerih poti so upognjene z gravitacijo črne luknje na poti do naših oči.
Ta svetloba se upogne v večjo sfero, kot bi pričakovali, če gravitacija ne bi bila tako močna. Kot piše v prispevku Event Horizon Telescope:
"Ugotovili smo, da več kot 50% celotnega toka v arcsekundah prehaja blizu obzorja in da to sevanje močno udari, ko zadene to območje, s faktorjem 10, kar je neposreden dokaz predvidene sence črne luknje."
Einsteinova splošna teorija relativnosti se je še enkrat izkazala za pravilno.
Črne luknje so dinamični pojavi, njihovo sevanje se sčasoma spreminja. Z maso 6,5 milijard sončnih ur bo minilo približno en dan, da bo prečkal obzorje dogodkov črne luknje. To v grobem določa časovni okvir, v katerem lahko pričakujemo spremembe in nihanja emisij, ki jih opazi EHT.
Že opazovanja, ki so trajala več dni, so nam lahko potrdila, da se struktura oddajanega sevanja sčasoma spreminja, kot je bilo napovedano. Podatki za leto 2017 vsebujejo štiri noči opazovanj. Tudi če pogledate te štiri slike, lahko vizualno vidite, da imata prvi dve podobne lastnosti, zadnji dve pa tudi, vendar sta med prvim in zadnjim velike razlike. Z drugimi besedami, lastnosti sevanja okoli črne luknje v M87 se sčasoma spreminjajo.
EHT bo v prihodnosti razkril fizični izvor izbruhov črne luknje. V rentgenskih in radijskih pasovih smo videli, da črna luknja v središču lastne Mlečne poti oddaja kratke sunke sevanja. Čeprav je prva predstavljena slika črne luknje v M87 pokazala supermasivni objekt, bo črna luknja v naši galaksiji - Strelec A * - prav tako velika, le hitreje se spreminja.
V primerjavi z maso M87 - 6,5 milijarde sončnih mas - bo masa Strelca A * le 4 milijone sončnih mas: 0,06% prve. To pomeni, da nihanja ne bomo opazili več čez dan, ampak v celo eni minuti. Značilnosti črne luknje se bodo hitro spremenile, in ko pride do izbruha, lahko razkrijemo njegovo naravo.
Kako so mehurji povezani s temperaturo in svetilnostjo radijske slike, ki smo jo videli? Ali obstaja magnetna ponovna povezava, kot je izpuščanje koronalne mase našega Sonca? Ali v akumulacijskih potokih kaj poči? Strelec A * utripa vsak dan, zato bomo lahko s temi dogodki povezali vse potrebne signale. Če so naši modeli in opažanja tako dobri, kot so bili za M87, bomo morda lahko ugotovili, kaj poganja te dogodke in morda celo vemo, kaj pade v črno luknjo in jih ustvari.
Pojavili se bodo podatki o polarizaciji, ki bodo razkrili, ali imajo črne luknje svoje magnetno polje. Medtem ko smo bili vsi zagotovo veseli prvega posnetka obzorja dogodkov črne luknje, je pomembno razumeti, da se bo kmalu pojavila popolnoma edinstvena slika: polarizacija svetlobe, ki izhaja iz črne luknje. Zaradi elektromagnetne narave svetlobe bo njena interakcija z magnetnim poljem nanjo odtisnila določen polarizacijski podpis, ki nam bo omogočil rekonstrukcijo magnetnega polja črne luknje in tudi, kako se sčasoma spreminja.
Vemo, da snov zunaj obzorja dogodka, saj v bistvu premika nabito delce (kot elektroni), ustvari lastno magnetno polje. Modeli nakazujejo, da lahko poljske črte bodisi ostanejo v akumulacijskih tokovih, bodisi preidejo skozi obzorje dogodkov in tvorijo nekakšno "sidro" v črni luknji. Obstaja povezava med temi magnetnimi polji, iztrebki in rastjo črnih lukenj ter curki. Brez teh polj snov v akumulacijskih tokovih ne bi mogla izgubiti kotnega zagona in pasti na obzorje dogodkov.
O tem nam bodo povedali podatki o polarizaciji, zahvaljujoč moči polarimetričnega slikanja. Podatke že imamo: ostalo je, da opravimo popolno analizo.
Izboljšava Event Horizon Telescope bo razkrila prisotnost drugih črnih lukenj v bližini galaktičnih središč. Ko se planet vrti okoli Sonca, to ni samo posledica dejstva, da ima Sonce gravitacijski učinek na planet. Vedno obstaja enaka in nasprotna reakcija: planet vpliva na sonce. Prav tako, ko predmet kroži okoli črne luknje, izvaja tudi gravitacijski pritisk na črno luknjo. Ob prisotnosti cele množice v bližini središč galaksij - in teoretično je bilo doslej veliko nevidnih črnih lukenj - bi morala osrednja črna luknja dobesedno trepetati na svojem mestu, kar bi jo razgnalo Brownovo gibanje okoliških teles.
Težavnost današnje meritve je, da potrebujete referenčno točko, da umerite svoj položaj glede na lokacijo črne luknje. Tehnika za to merjenje predvideva, da pogledate kalibrator, nato izvor, spet kalibrator, spet vir in tako naprej. Hkrati morate svoj pogled zelo hitro premakniti. Na žalost se ozračje zelo hitro spreminja in veliko se lahko spremeni v 1 sekundi, tako da preprosto ne boste imeli časa za primerjavo dveh predmetov. Vsekakor ne s sodobno tehnologijo.
Toda tehnologija na tem področju se razvija neverjetno hitro. Orodja, uporabljena na EHT, čakajo na posodobitve in bodo morda dosegla zahtevano hitrost do sredine 2020-ih. To uganko bi lahko rešili do konca naslednjega desetletja, zahvaljujoč izboljšanemu instrumentaciji.
Končno bo Event Horizon teleskop videl na stotine črnih lukenj. Če želite razstaviti črno luknjo, mora biti ločljivost teleskopskega sklopa boljša (tj. Z visoko ločljivostjo) od velikosti predmeta, ki ga iščete. Trenutno lahko EHT v vesolju ustvari le tri znane črne luknje z dovolj velikim premerom: Strelec A *, središče M87, središče galaksije NGC 1277.
Lahko pa povečamo moč očesnega teleskopa Event Horizon na velikost Zemlje, če teleskope spustimo v orbito. V teoriji je to že tehnično dosegljivo. Povečanje števila teleskopov povečuje število in pogostost opazovanj, pa tudi ločljivost.
S potrebnimi izboljšavami bomo lahko namesto 2-3 galaksij našli na stotine črnih lukenj ali celo več. Prihodnost albumov s črno luknjo je videti svetla.
Projekt Event Horizon Telescope je bil drag, vendar se je izplačal. Danes živimo v dobi astronomije črne luknje in smo jih končno lahko opazovali s svojimi očmi. To je šele začetek.
Ilya Khel