Messier 87 -nimisen galaksin keskellä, noin 55 miljoonan valovuoden päässä, josta kaikki galaksin asia kiertää, on hirviö: supermassiivinen musta aukko. M87: n keskellä oleva musta reikä, jolla on noin 6, 5 miljardia kertaa auringon massa, on niin tiheä, että sen poistumisnopeus tai esineen painovoiman välttämiseksi tarvittava nopeus on enemmän kuin valon nopeus. Siksi edes valon fotoneja ei voi paeta heti kun he vaeltavat liian lähelle.
Mutta älä anna nimen "musta aukko" huijata sinua. "Eräänlaisena luonteeltaan paradoksina mustat aukot, jotka eivät anna valon paeta, ovat maailmankaikkeuden kirkkaimpia esineitä", sanoo Shep Doeleman, Harvard-Smithsonian astrofysiikan keskuksen vanhempi tutkija ja ohjaaja. Event Horizon Telescope (EHT) -projektissa, joka on kansainvälinen yritys kuvata suoraan supermassiivinen musta reikä kaukoputkilla ympäri maailmaa.
Tänään EHT-projekti, johon kuuluu kahdeksan observatorioa ja yli 60 tiedelaitosta yli 20 maassa, julkaisi ensimmäisen kuvan mustasta aukosta. "Tämä on ensimmäinen kerta, kun olen nähnyt tämän kuvan juuri nyt", sanoo National Science Foundationin (NSF) johtaja France Córdova tiedotustilaisuudessa National Press Clubilla. ”Ja se toi kyyneleet silmiini. Tämä on erittäin iso juttu. ”
Astrophysical Journal -lehdessä julkaistiin tänään myös kuusi tieteellistä artikkelia, joissa kuvataan mustan aukon ensimmäisiä suoria havaintoja.
Vaikka valo ei pääse itse mustasta aukosta, jokainen musta aukko ympäröi jonkinlaista rajaa, jota kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Minkä tahansa asian, joka vaeltaa tapahtumahorisontin ulkopuolella, kuluttaa musta aukko, mutta kun kaasut kasaantuvat vain tapahtumahorisontin ulkopuolelle, ne kuumennetaan satoihin miljardeihin asteisiin ja säteilevät valtavan määrän säteilyä galaksin läpi. Tapahtumahorisontti M87: n mustan aukon ympärillä on noin 1, 5 valopäivää eli noin 40 miljardia kilometriä, suunnilleen samankokoinen kuin aurinkokuntamme.
"Mitä odottaa, jos näet supermassiivisen mustan aukon galaksin keskellä ja luulemme niiden olevan useimpien galaksien keskuksissa, on se, että voimakas painovoima vetää läheisyydessä olevaa kaasua mustaa reikää kohti, ja se kuumenee ylös ”, Doeleman sanoo. "Yrität puristaa paljon kaasua pienimpään tilavuuteen, jonka voit kuvitella ... ja kaikki erittäin kuuma kaasu säteilee [valoa]."
Yli 200 kansainvälisen tutkijan vuosien suunnittelun jälkeen tiedot, joiden on tarkoitus näyttää ensimmäisen kuvan mustasta aukosta, ovat valmiit. Joukkue kokoontuu suureen paljastukseen - se on seisminen hetki astrofysiikassa.M87: n keskellä olevan mustan aukon havainnot paljastavat sen kiertyvän myötäpäivään. Kuvan alaosassa, jossa valorengas on kirkkaampi, mustan reiän kierto siirtyy kohti meitä, kun taas kuvan yläosassa oleva renkaan osa on siirtymässä.
Kuvan ottaminen mustan aukon tapahtumahorisonttia ympäröivästä palavasta kaasusta, jota tähtitieteilijät kutsuvat mustan aukon ”varjoksi” tai ”siluetiksi”, ei ole osoittautunut helpoksi tehtäväksi. M87-musta reikä on galaksin keskellä, verhottu kirkkaiden tähtien ja suurten kaasu- ja pölykarhojen taakse. Saavuttaakseen valon fotonit, jotka pääsevät pääsemään supermassiivisen mustan reiän painovoimakammiosta, joka on vedetty kohti tapahtumahorisonttia, ennen kuin se lentää 55 miljoonaa valovuotta M87: n läpi ja yli galaktisen avaruuden maan päälle, tähtitieteilijät ovat linkittäneet erään tehokkaimmista radioista teleskoopit, jotka on koskaan rakennettu rakentamaan teleskoopin, joka on maan kokoinen.
"On olemassa erityinen kenttä nimeltään Very Long Baseline Interferometry, jossa sitoudut yhteen radioantenneihin ympäri maailmaa ja saat erittäin korkean suurennuksen", Doeleman sanoo. Radioastronomian observatoriat etelänavan teleskoopista Grönlannin teleskooppiin ovat osallistuneet tai tulevat osallistumaan havaintoihin EHT: hen. "VLBI-tekniikan avulla, jossa teet koko maapallon teleskooppiksi, sinun on linkitettävä maapallon molemmin puolin olevat astiat toisiinsa atomikellojen verkon avulla, ja niin teemmekin."
Tapahtumahorizon-teleskooppi keräsi tiedot ensimmäisestä mustan aukon kuvasta vuonna 2017. Käyttämällä atomikelloja havaintojen ajantasaistamiseen ajoissa ja supertietokoneita tietojen petatabyyttien kokoamiseen, tutkijat voivat saavuttaa tehokkaasti maapallon teleskoopin resoluution - mutta ei valonkeruukykyä, joten tekniikkaa voidaan käyttää vain erittäin kirkkaiden esineiden havaitsemiseen. VLBI pystyy keräämään radioaaltoja vain astioiden pinnoille, jotka pyörivät jatkuvasti maan kanssa pitäen silmällä M87: n keskustaa.
Pohjois-Chilessä sijaitseva Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), jonka Linnunrata näkyyESO / Y. Beletsky taivaalla. ALMA on Event Horizon Telescope -verkon tehokkain radion observatorio. (ESO / Y. Beletsky) ”Voit ajatella näitä kaukoputkia pieninä hopeapituina maapallon kokoisella peilillä, ja liikkuessaan ne jäljittävät heijastusjuovat, ja niin te lopetat kutomalla yhdessä tai kehrättäessä maapallon teleskoopin - melkein rakentamalla verkossa, kuten hämähäkki tekee ”, Doeleman sanoo.
Teleskoopit keräävät erittäin korkeataajuisia (EHF) radioaaltoja, melkein infrapunavaloa sähkömagneettisella spektrillä, aallonpituus 1, 3 millimetriä. Taajuus on "aivan täydellinen" tehdäkseen laaja-alaisen matkan mustan aukon reunoista radiolaitteihimme, Doeleman sanoo. Observatoriat kääntyvät yleensä kohti M87: tä yöllä ja maaliskuun ja huhtikuun aikana, kun ilmakehän vesihöyryt ovat alimmillaan.
Event Horizon-teleskooppi on myös tarkkaillut Jousimies A *: ta, supermassiivista mustaa reikää oman galaksin, Linnunradan keskellä. Jousimies A * (lausutaan ”Jousimies A-tähti”) on paljon vähemmän aktiivinen supermassiivinen musta aukko kuin M87: n keskellä oleva aukko. Noin 26 000 valovuoden päässä sijaitseva Jousimies A * on tarpeeksi pieni, että se näyttää taivaalla suunnilleen samankokoisena kuin paljon kauempana oleva M87.
Monet tutkijat uskovat, että mustilla reikillä on järkeä teoreettisen fysiikan alueella, mutta niitä ei oikeasti voi olla todellisessa elämässä. Kuvan sieppaaminen mustasta aukosta muuttaisi kaiken tämän.M87: n mustan aukon ympärillä olevan hehkuva tapahtumahorisontin lisäksi esine purkaa materiaalisuihkut napoistaan avaruuteen. "Saat nämä relativististen hiukkasten suihkut, koska tietenkin se on erittäin energinen, joka voi virrata kymmenien tuhansien valovuosien ajan", Doeleman sanoo. "Ne voivat kulkea koko galaksin läpi, ja se on, että energian vapauttaminen galaktisessa mittakaavassa voi muuttaa koko galaksin ulkoasua."
Supermassiivisesta mustasta reiästä virtaavien suihkujen energia määräytyy sen mukaan, kuinka paljon ainetta musta reikä kuluttaa, samoin kuin sen kierto, magneettikenttä ja muut ominaisuudet. "Suihkukoneissa on vastaavasti 10 miljardia supernovaa energiassa", sanoo EHT-tiedeneuvoston jäsen ja Amsterdamin yliopiston professori Sera Markoff tiedotustilaisuudessa. "Näillä outoilla avaruusaluksen reikillä on paljon seurauksia yksinään", Markoff sanoo. Kun musta reikä kuluttaa valtavia määriä energiaa, se estää tapahtumahorisontin ympärillä olevia kaasuja muodostamasta uusia tähtiä, mikä himoittaa galaksien kasvua.
Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan mustan aukon keskellä on singulaarisuuspiste, jossa kaiken esineen aine on tiivistynyt tilavuudeksi, joka on niin pieni, että tiheys on olennaisesti ääretön. Tässä vaiheessa tunnettujen fysiikan lakien uskotaan hajoavan. Lähempänä tapahtumahorisonttia tutkijat kuitenkin kokeilevat mustan aukon siluetin muotoa suhteellisuussääntöjen testaamiseksi.
"Minun on myönnettävä, että olin hieman järkyttynyt siitä, että se vastasi niin tarkasti tekemiämme ennusteita", sanoo Avery Broderick, EHT: n astrofysiikka ja apulaisprofessori Waterloon yliopistosta, tiedotustilaisuudessa. "Se on ilahduttavaa, mutta myös hieman järkyttävää."
Valon muoto mustan aukon ympärillä, joka tunnetaan fotonirenkaana, jossa valo kiertää keskustaa, toimii kaikkien aikojen tehokkaimpana Einsteinin suorittamien painovoimateorioiden testinä.
"Yksi syy, miksi näet valorenkaan, on se, että kiertoradalla fotoneja rajoitetaan liikkumaan ympyrässä mustan aukon ympärillä", Doeleman sanoo. ”Se on todella poikkeuksellista - otat fotonin kaltaisen objektin, joka kulkee niin nopeasti kuin kaikki voi mennä maailmankaikkeuteen, nopeimmin voit liikkua, ja huomaat sitten, että mustan aukon nimeltä on esine, joka saa valonsäteen taipumaan täydellinen ympyrä. Ja se on pohjimmiltaan mitä näet. ... Ja jos käydään läpi Einsteinin yhtälöt, se on aivan erityinen kiertorata. ”
Kun rengas nähdään mustan aukon ympärillä ja sen varjo kuvastoituu kosmokseen, on vahvistanut, että yli 100 vuotta sitten annettu teoreettinen fysiikka pitää edelleen paikkansa ”yhdessä äärimmäisissä laboratorioissa, joita maailmankaikkeus meille tarjoaa”.
"Mielestäni se puhuu ihmishengelle rehellisesti sanottuna siitä, että pystymme vetämään sen pois", Doeleman sanoo.
Black Hole Hunters -esitys ensi perjantaina 12. huhtikuuta klo 21 Smithsonian-kanavalla.
