Yötaivaamme suurin esine - ylivoimaisesti! - on meille näkymätön. Kohde on Erittäin massiivinen musta reikä (SMBH) Linnunradan galaksissamme, nimeltään Jousimies A. Mutta pian meillä saattaa olla kuva Jousimiehen A tapahtumahorisontista. Ja tämä kuva voi asettaa haasteen Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teorialle.
Kukaan ei ole koskaan nähnyt mustan aukon tapahtumahorisonttia. Voimakas painovoimaveto estää kaikkea, jopa valoa, pakenemasta. Tapahtumahorisontti ei ole paluuta. Ei väliä, ei valoa eikä tietoa pääse pakenemaan. Mutta olemme todennäköisesti lähellä kuvan saamista Jousimiehen A tapahtumahorisontista Event Horizon Telescope (EHT) -sovelluksen ansiosta.
EHT on kansainvälinen yhteistyö, jonka tarkoituksena on tutkia mustan aukon välitöntä ympäristöä. Se ei ole yksi kaukoputki, vaan linkitetty radioteleskooppijärjestelmä ympäri maailmaa, kaikki toimivat yhdessä käyttäen interferometriaa. Mittaamalla sähkömagneettista energiaa mustan aukon ympäröivältä alueelta useilla radiolautasilla useissa paikoissa, jotkut lähteen ominaisuuksista voidaan johtaa.
EHT: n kanssa tutkijat toivovat, että heidän havaintonsa tuottavat lopulta kuvia voimakkaista painovoimavaikutuksista, joita odotamme näkevän lähellä mustaa reikää. He myös toivovat havaitsevansa osan reikää lähellä olevasta työstä, kun kiertävän aineen kiertorata saavuttaa relativistisen nopeuden.
EHT-projekti keräsi tietoa Jousimies A: sta ja yhdestä muusta mustasta aukosta, nimeltään M87, Neitsyt A-galaksin keskustassa neljän vuoden ajan. Tämä neljä vuotta päättyi huhtikuussa 2017, mutta 200 tutkijan ja insinöörin ryhmä analysoi edelleen tietoja. Sillä välin joukkue on julkaissut tietokonemallikuvat siitä, mitä he toivovat näkevänsä.
Kuva ei ehkä tunnu kovin suurelta, mutta se on merkittävä. Se vastaa sanomalehden otsikon lukemista kuuhun maan päällä seisoessa. Kuva voi auttaa meitä vastaamaan joihinkin hämmentäviin kysymyksiin, jotka koskevat mustia aukkoja:
- Mikä rooli mustalla aukolla oli galaksien muodostumisessa?
- Miltä valo ja aine näyttävät, kun ne putoavat kohti mustaa reikää?
- Mistä energiavirroista ammutaan tehdyistä mustista reikistä?
On myös mahdollista, että Jousimiehen A tuottama kuva tarkoittaa, että Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria on päivitettävä. (Vaikka Einsteinia vastaan on yleensä huono idea panostaa.)
Mustat reiät ja tapahtumahorisontti
Mustat aukot ovat pohjimmiltaan tähden ruumista. Kun erittäin massiivinen tähti palaa polttoaineensa läpi, se romahtaa erittäin tiheään pisteeseen tai singulaarisuuteen. Mustalla aukolla on uskomattoman voimakas painovoimaveto, joka vetää kaasua ja pölyä sitä kohti. Kerran noin 10 000 vuoden välein, Jousimies A kuluttaa jopa tähden.
Tapahtumahorisontti on kuin kuori mustan aukon ympärillä. Kun jokin asia - tai jopa valo - saavuttaa tapahtumahorisontin, se on ohi. Musta reikä kasvaa koko, koska se kuluttaa ainetta, ja myös tapahtumahorisontti laajenee.
Jousimies A, oma super-massiivinen musta reikämme (SMBH), on massiivinen. Sen massa on 4 miljoonaa kertaa suurempi kuin aurinko. Mutta jopa niin, se ei ole niin suuri verrattuna muihin SMBH: iin. EHT-projektin toinen SMBH on paljon suurempi, sen massa on 7 miljardia kertaa aurinkoisempi.
EHT tuottaa kuvan tapahtumahorisontista tutkimalla mustan aukon ympäröivää aluetta. Jotain tapahtuu materiaalille, kun se putoaa mustaan reikään. Se muodostaa pyörivän kaasun ja pölyn keräyslevyn, joka on pohjimmiltaan pitokuviossa, kunnes se imeytyy reikään. Tämä materiaali nopeuttaa relativistisia nopeuksia, mikä tarkoittaa lähellä valon nopeutta. Kun se tapahtuu, materiaali ylikuumenee ja se emittoi energiaa.
Mutta musta aukko on niin voimakas painovoimaisesti, että se taivuttaa tätä valoa ilmiössä, jota kutsutaan painovoimaobjektiiviksi. Tämä linssi luo tumman alueen, jota kutsutaan mustan aukon varjona. Teorian mukaan tapahtumahorisontin tulisi olla noin 2,5 kertaa suurempi kuin varjo. Joten kun tutkijoilla on kuva varjoista, he tietävät tapahtumahorisontin koon. Tapahtumahorisontin koko on verrannollinen mustan aukon massaan. Joten Jousimiehen A tapauksessa sen halkaisijan tulisi olla noin 24 miljoonaa km (15 miljoonaa mailia).
Joten itse mustasta aukosta ei tule kuvia, mutta siellä on kuvia varjosta, jonka musta aukko heittää. Tieteellisesti se on iso harppaus ymmärtäämme mustia aukkoja. Ja jos on epäilyksiä mustien reikien olemassaolosta, varjokuva antaa vankan todisteen siitä, että mustia reikiä on todellakin siellä.
EHT ja suihkukoneet
Huolimatta Jousimiehen A massiivisesta koosta, se on pieni taivaalla. Se on aivan liian pieni, jotta yksi kaukoputki voi nähdä. Siksi EHT otettiin käyttöön. Se yhdistää seitsemän erillistä radioteleskooppia ympäri maailmaa yhdeksi suureksi virtuaaliteleskooppiksi käyttämällä tekniikkaa nimeltä Very Long Baseline Interferometry (VLBI), jota astronomian harrastajat tuntevat. Virtuaalisella kaukoputkella on paljon suurempi erotuskyky kuin yhdellä laajuudella, ja se antoi tähtitieteilijöille mahdollisuuden tutkia Sgr: n lähellä olevaa aluetta. A.
Yhden viikon ajan huhtikuussa 2017 EHT-ryhmä osoitti kaikki seitsemän sen laajuutta Sgr A: iin, ja seitsemän atomikelloa kirjasi signaalien saapumisajan jokaiseen kaukoputkeen. Tutkimalla ja yhdistämällä signaaleja tutkijat voivat luoda kuvan Sgr A: sta. Tämä on aikaa vievä prosessi, joka jatkuu.
Mustan aukon läheisyydestä virtaavat energiset suihkut ovat erityisen kiinnostavia tutkijoita. Musta aukon pyörimislevyllä pyörivä asia kuumenee jopa miljardeja asteita. Osa siitä tulee mustaan reikään, mutta ei kaikkia.
Energeettiset suihkut ovat osa, joka karkaa lisääntymislevyn. Ne kulkevat lähellä valonopeutta kymmeniä tuhansia valovuosia. Tutkijat haluavat tietää enemmän heistä.
Kun kyse on Sgr. A, emme tiedä, onko suihkuja. Se ei ole ollut kovin aktiivinen viime vuosikymmeninä, joten suuttimia ei ehkä ole. Mutta jos he ovat siellä, EHT poimii sieltä radiosignaaleja. Sitten voimme saada vastauksia joihinkin suihkukoneita koskeviin peruskysymyksiin:
- Kuinka ne alkavat?
- Kuinka ne kiihtyvät relativistisiin nopeuksiin?
- Kuinka he pysyvät tiukasti keskittyneinä?
- Mistä tarkalleen he ovat?
Onko Einsteinin teoria yleisestä suhteellisuudesta ongelmissa?
Luultavasti ei. Mutta siellä on mahdollisuus.
Suurin osa aurinkokuntamme on melko proosainen, arkipäivän paikka. Ja siitä suurin osa yleistä suhteellisuutta tukevaa havainnollista näyttöämme tulee. Mutta mustan aukon ympäröivä alue ei ole normaali naapurusto.
Siellä olosuhteet ovat äärimmäiset. Intensiivinen painovoima, ylikuumennetut materiaalin suihkut, jotka liikkuvat lähellä valon nopeutta ja tapahtumahorisonttia. Mutta suhteessa yleiseen suhteellisuuteen, se koskee enimmäkseen painovoimaa ja valoa.
Yleinen suhteellisuus ennustaa, että mustan aukon painovoima kaareuttaa tilan aikaa ja vetää kaiken sitä kohti, mukaan lukien valo. EHT: n keräämät tiedot tarjoavat tämän ilmiön mittauksia, joita voidaan verrata Einsteinin ennusteisiin. Jos tiedot vastaavat ennusteita, Einstein voittaa jälleen.
Yleinen suhteellisuus antaa toisen ennusteen: lisäyslevyn valetun varjon tulisi olla pyöreä. Jos se ei ole pyöreä ja on enemmän munamainen, yleisen suhteellisuuden kaavat eivät ole täysin tarkkoja.
John Wardle on tähtitieteilijä, joka on tutkinut mustia aukkoja vuosikymmenien ajan, kun ne olivat vielä vain teoreettista rakennetta. Hän on vahvasti mukana EHT-projektissa. Wardle uskoo, että yleinen suhteellisuus kestää tätä testiä ja että Einstein voittaa jälleen. Mutta jos yleinen suhteellisuus epäonnistuu tässä testissä, olemme erittäin vaikeassa ja outossa tilanteessa.
"Sitten olemme vakavassa suorassa takissa, koska et voi tehdä muutoksia, jotka sekoittavat kaikki muut toimivat bitit", sanoi Wardle. "Se olisi erittäin jännittävää."
- Brandeisin yliopiston lehdistötiedote: "Miltä musta aukko näyttää?"
- Tapahtumahorizon-teleskooppi
- Wikipedian merkintä: Interferometria
- Wikipedian merkintä: Event Horizon
