Kansainvälinen radioteleskooppien verkosto on tuottanut ensimmäisen läheisen kuvan mustan aukon varjosta, jonka tutkijat paljastivat tänä aamuna (10. huhtikuuta). Yhteistyö, nimeltään Event Horizon Telescope, vahvisti vuosikymmenien ennusteet siitä, kuinka valo käyttäytyisi näiden tummien esineiden ympärillä, ja asetti vaiheen uudelle mustan aukon tähtitieteen aikakaudelle.
"Asteikolla nolla - hämmästyttävä, se oli hämmästyttävä", sanoi Erin Bonning, astrofysiikka- ja mustan aukon tutkija Emoryn yliopistossa, joka ei ollut mukana kuvantamistoimissa.
"Se sanoi, se oli mitä odotin", hän kertoi Live Science: lle.
Noin puolitoista viikkoa etukäteen kiusattu ilmoitus pystyi olemaan sekä uskomattoman jännittävä että melkein täysin vailla yllättäviä yksityiskohtia tai uutta fysiikkaa. Fysiikka ei hajonnut. Mitään odottamattomia mustien reikien piirteitä ei paljastunut. Itse kuva oli melkein täydellinen ote mustien reikien havainnollistamiseen, joita olemme tottuneet näkemään tieteessä ja pop-kulttuurissa. Suuri ero on, että se on paljon epäselvämpi.
Bonning totesi kuitenkin, että mustiin reikiin liittyi useita tärkeitä kysymyksiä, jotka pysyivät ratkaisematta.
Kuinka mustat aukot tuottavat valtavat suihkukoneet kuumaan, nopeaan aineeseen?
Kaikilla supermassiivisilla mustilla reikillä on kyky pureskella lähellä olevaa ainetta, absorboida suurin osa siitä tapahtumahorisontinsa ohitse ja sylätä loput avaruuteen melkein valon nopeudella palavissa torneissa, joita astrofysiikot kutsuvat "relativistisiksi suihkukoneiksi".
Ja Neitsyt A: n keskustassa oleva musta aukko (jota kutsutaan myös Messier 87) on kuuluisa vaikuttavista suihkukoneistaan, pistoaineistaan ja säteilystään koko avaruudessa. Sen relativistiset suihkukoneet ovat niin valtavia, että ne pääsevät kokonaan pois ympäröivästä galaksista.
Ja fyysikot tietävät laajoja iskuja siitä, miten tämä tapahtuu: Materiaali kiihtyy äärimmäisiin nopeuksiin, kun se putoaa mustan aukon painovoimaan, sitten osa siitä karkaa säilyttäen samalla inertillä. Mutta tutkijat ovat eri mieltä yksityiskohdista, kuinka tämä tapahtuu. Tämä kuva ja siihen liittyvät paperit eivät vielä tarjoa yksityiskohtia.
Bonningin mukaan sen selvittäminen tulee yhdistämään Event Horizons-teleskoopin havainnot - jotka kattavat melko pienen tilan - paljon suuremman kuvan kanssa relativistisista suihkukoneista.
Vaikka fyysikoilla ei vielä ole vastauksia, hän sanoi, että on olemassa suuri mahdollisuus, että ne tulevat pian - varsinkin kun yhteistyö tuottaa kuvia toisesta kohteestaan: supermassiivisesta mustasta aukosta Jousimies A * oman galaksissamme, joka ei tuota virgo A: n kaltaisia suihkukoneita. Hänen mukaansa kahden kuvan vertailu voi tarjota selkeyttä.
Kuinka yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka sopivat yhteen?
Aina kun fyysikot kokoontuvat puhumaan todella jännittävästä uudesta löytöstä, voit odottaa kuulevani jonkun ehdottavan, että se voisi auttaa selittämään "kvanttipainoa".
Tämä johtuu siitä, että kvantti painovoima on fysiikan suurin tuntematon. Noin vuosisadan ajan fyysikot ovat työskennelleet käyttämällä kahta erilaista sääntöjoukkoa: yleinen suhteellisuusteoria, joka kattaa erittäin suuret asiat, kuten painovoima, ja kvantimekaniikka, joka kattaa hyvin pienet asiat. Ongelmana on, että nämä kaksi ohjekirjaa ovat suoraan ristiriidassa keskenään. Kvanttimekaniikka ei osaa selittää painovoimaa, ja suhteellisuusteoria ei selitä kvantti käyttäytymistä.
Joskus fyysikot toivovat yhdistää nämä kaksi toisiinsa suuressa yhtenäisessä teoriassa, johon todennäköisesti liittyy jonkinlainen kvanttipaino.
Ja ennen tämänpäiväistä ilmoitusta spekuloitiin, että se saattaa sisältää jonkin verran läpimurtoa aiheesta. (Jos yleisen suhteellisuussuunnan ennusteita ei olisi pitänyt ottaa kuvassa, se olisi siirtänyt palloa eteenpäin.) Kansallisen tiedesäätiön tiedotustilaisuudessa Kanadan Waterloon yliopiston fyysikko Avery Broderick ja yhteistyökumppani hankkeessa ehdotti, että sellaisia vastauksia voisi olla tulossa.
Mutta Bonning suhtautui skeptisesti tähän väitteeseen. Tämä kuva oli täysin yllättävää suhteellisuustekijöiden näkökulmasta, joten se ei tarjonnut mitään uutta fysiikkaa, joka saattaisi täyttää kuilun kahden kentän välillä, Bonning sanoi.
Vielä ei ole hullua, että ihmiset toivovat vastauksia tällaiseen havaintoon, hän sanoi, koska mustan aukon varjon reuna vie relativistiset voimat pieniin, kvantti kokoisiin tiloihin.
"Odotamme näkevämme kvanttigravitaation hyvin, hyvin lähellä tapahtumahorisonttia tai hyvin, hyvin aikaisin varhaisessa universumissa", hän sanoi.
Mutta Event Horizons-teleskoopin edelleen epäselvällä ratkaisulla, hän sanoi, ettemme todennäköisesti löydä tällaista vaikutusta, vaikka suunnitellut päivitykset saapuvatkin.
Oliko Stephen Hawkingin teoriat yhtä totta kuin Einsteinin?
Fyysikko Stephen Hawkingin suurin uran varhainen panos fysiikkaan oli ajatus "Hawkingin säteilystä" - että mustat aukot eivät ole oikeastaan mustia, vaan säteilevät pieniä määriä säteilyä ajan myötä. Tulos oli erittäin tärkeä, koska se osoitti, että kun musta reikä lakkaa kasvamasta, se alkaa kutistua hyvin hitaasti energian menetyksestä.
Bonningin mukaan Event Horizons-kaukoputki ei kuitenkaan vahvistanut tai kiistänyt tätä teoriaa, ei kukaan sitä odottanut.
Hänen mukaansa neitsyt A: n kaltaiset jättiläiset mustat aukot lähettävät vain minimaalisia määriä Hawkingin säteilyä niiden kokonaiskokoon verrattuna. Vaikka edistyneimmät soittimemme pystyvät nyt tunnistamaan tapahtumahorisontinsa kirkkaat valot, on vähän mahdollisuuksia, että ne koskaan kiusaavat supermassiivisen mustan aukon pinnan ultrahimeä hehkua.
Hänen mukaansa nämä tulokset tulevat todennäköisesti pienimmistä mustista rei'istä - teoreettisista, lyhytaikaisista esineistä, jotka ovat niin pieniä, että saatat sulkea heidän koko tapahtumahorisontin käteen. Koska ihmisillä on mahdollisuus suorittaa läheisiä havaintoja ja saada aikaan paljon enemmän säteilyä verrattuna niiden kokonaiskokoon, ihminen saattaa lopulta selvittää, miten tuottaa tai löytää ja havaita säteily.
Joten mitä me itse oppimme tästä kuvasta?
Ensinnäkin fyysikot saivat jälleen kerran tietää, että Einstein oli oikeassa. Varjon reuna, siltä osin kuin Event Horizons-kaukoputki voi nähdä, on täydellinen ympyrä, aivan kuten 1900-luvun fyysikot työskentelivät Einsteinin yleisen suhteellisuussuhteen yhtälöiden ennusteiden mukaan.
"En usko, että kenenkään pitäisi olla yllättynyt, kun taas uusi suhteellisuusteoria läpäisee", Bonning sanoi. "Jos he olisivat kävelleet lavalla ja sanoneet, että suhteellisuusteoria on rikkoutunut, olisin pudonnut tuolistani."
Hänen mukaansa tuloksena, jolla oli välittömiä, käytännöllisiä vaikutuksia, oli, että kuvan avulla tutkijat pystyivät mittaamaan tarkasti tämän supermassiivisen mustan aukon massan, joka sijaitsee 55 miljoonan valovuoden päässä Neitsyt A-galaksin ytimessä. Se on 6,5 miljardia kertaa massiivisempi kuin aurinko.
Se on iso juttu, Bonning sanoi, koska se voi muuttaa tapaa, jolla fyysikot punnitsevat supermassiiviset mustat reiät muiden, kauempana olevien tai pienempien galaksien sydämessä.
Tällä hetkellä fyysikoilla on melko tarkka mittaus supermassiivisen mustan aukon massasta Linnunradan ytimessä, sanoi Bonning, koska he voivat seurata kuinka sen painovoima liikuttaa yksittäisiä tähtiä naapurustossaan.
Mutta muissa galakseissa teleskooppimme eivät näe yksittäisten tähtien liikkeitä, hän sanoi. Joten fyysikot ovat kiinni karkeammista mittauksista: Kuinka mustan reiän massa vaikuttaa galaksin eri tähtikerroksista tulevaan valoon tai kuinka sen massa vaikuttaa valoon, joka tulee galaksin vapaasti kelluvan kaasun eri kerroksista.
Mutta nämä laskelmat ovat epätäydellisiä, hän sanoi.
"Sinun on mallinnettava erittäin monimutkainen järjestelmä", hän sanoi.
Ja nämä kaksi menetelmää lopulta tuottavat jonkin verran erilaisia tuloksia jokaisessa galaksin fyysikossa. Mutta ainakin Neitsyt A: n mustan aukon kohdalla tiedämme nyt, että yksi menetelmä on oikea.
"Päätöksemme 6,5 miljardista aurinkomassasta päätyy laskeutumaan heti raskaamman massamäärittelyn päälle", Amsterdamin yliopiston astrofysiikko Sera Markoff ja projektin yhteistyökumppani kertoivat tiedotustilaisuudessa.
Tämä ei tarkoita, että fyysikot vain siirtyisivät tukkumyyntiin tähän lähestymistapaan mustien reikien massojen mittaamiseksi, Bonning sanoi. Mutta se tarjoaa tärkeän tietopisteen tulevien laskelmien hienosäätöön.
