Ideen om sorte huller går tilbage til 1783, da Cambridge-forsker John Michell indså, at en temmelig massiv genstand i et lille nok rum kunne tiltrække endnu lys uden at lade det undslippe. Mere end et århundrede senere fandt Karl Schwarzschild en nøjagtig løsning på Einsteins generelle relativitetsteori, der forudsagde det samme resultat: et sort hul. Både Michell og Schwarzschild forudsagde en klar forbindelse mellem begivenhedshorisonten eller radius for det område, hvorfra lys ikke kan undslippe, og massen af det sorte hul.
I 103 år efter Schwarzschilds forudsigelse kunne det ikke verificeres. Og først den 10. april, 2019, afslørede forskere det første fotografi nogensinde af begivenhedshorisonten. Einsteins teori virkede igen, som den altid gjorde.
Selvom vi allerede vidste ganske meget om sorte huller, selv før det første øjebliksbillede af begivenhedshorisonten, ændrede det sig og afklarede meget. Vi havde mange spørgsmål, der nu har svar.
Den 10. april 2019 præsenterede Event Horizon Telescope-samarbejdet det første succesrige øjebliksbillede af det sorte hul begivenhedshorisont. Dette sorte hul er placeret i Messier 87: den største og mest massive galakse i vores lokale superkluster af galakser. Vinkeldiameteren på begivenhedshorisonten var 42 mikro-lysbue sekunder. Det betyder, at det tager 23 kvadrillioner sorte huller i samme størrelse for at dække hele himlen.
Ved 55 millioner lysår væk er det sorte huls estimerede masse 6,5 milliarder gange solens. Fysisk svarer dette til en størrelse, der er større end størrelsen på Plutos bane omkring solen. Hvis der ikke var noget sort hul, ville det tage lys omkring en dag at passere gennem diameteren af begivenhedshorisonten. Og kun fordi:
- begivenhedshorisontteleskopet har nok opløsning til at se dette sorte hul
- sort hul udsender kraftige radiobølger
- meget lidt radiobølger i baggrunden for at forstyrre signalet
vi var i stand til at få dette første skud. Fra hvilke vi nu har lært ti dybtgående lektioner.
Salgsfremmende video:
Vi lærte, hvordan et sort hul ser ud. Hvad er det næste?
Dette er virkelig et sort hul, som forudsagt af den generelle relativitet. Hvis du nogensinde har set en artikel med titlen "teoretiker hævder modigt, at sorte huller ikke findes" eller "denne nye teori om tyngdekraft kunne vende Einstein rundt," gæt du, har fysikere ikke noget problem med at komme med alternative teorier. Selvom den generelle relativitet har bestået alle de test, vi lægger den til, har fysikere ingen mangel på udvidelser, udskiftninger eller mulige alternativer.
Og det at observere et sort hul udelukker et stort antal af dem. Vi ved nu, at dette er et sort hul, ikke et ormehul. Vi ved, at begivenhedshorisonten eksisterer, og at dette ikke er en nøgen singularitet. Vi ved, at begivenhedshorisonten ikke er en solid overflade, da det faldende stof skal give af en infrarød signatur. Og alle disse observationer er i overensstemmelse med den generelle relativitet.
Imidlertid siger denne observation intet om mørkt stof, de mest modificerede teorier om tyngdekraft, kvantetyngdekraft eller hvad der ligger bag begivenhedshorisonten. Disse ideer er uden for EHT's observationer.
Stjernes gravitationsdynamik giver gode skøn for masserne af et sort hul; gasobservation - nej. Før det første billede af et sort hul, havde vi flere forskellige måder at måle masserne af sorte huller på.
Vi kunne enten bruge målinger af stjerner - som de individuelle kredsløb om stjerner i nærheden af et sort hul i vores egen galakse eller absorptionslinjer af stjerner i M87 - der gav os gravitationsmasse eller emissioner fra gas, der bevæger sig rundt i det centrale sorte hul.
For både vores galakse og M87 var disse to estimater meget forskellige: gravitationsestimater var 50-90% højere end gasformige. For M87 viste gasmålinger, at det sorte hul har 3,5 milliarder solskinner, og gravitationsmålingerne var tættere på 6,2 - 6,6 milliarder. Men EHT-resultaterne viste, at det sorte hul har 6,5 milliarder solmasser, hvilket betyder, gravitationsdynamik er en fremragende indikator for sorte hulmasser, men gaskonklusionerne skifter mod lavere værdier. Dette er en fantastisk mulighed for at genoverveje vores astrofysiske antagelser om orbitalgas.
Det skal være et roterende sort hul, og dets rotationsakse peger væk fra Jorden. Gennem observationer af begivenhedshorisonten, radioemissioner omkring det, en storskala jet og udvidede radioemissioner målt af andre observatorier, har EHT bestemt at det er et Kerr sort hul (roterende), ikke et Schwarzschild sort hul (ikke roterende).
Der er ikke et enkelt, enkelt træk ved et sort hul, som vi kunne studere for at bestemme denne art. I stedet skal vi bygge modeller af selve det sorte hul og sagen udenfor det og derefter udvikle dem til at forstå, hvad der sker. Når du ser efter mulige signaler, der kan dukke op, får du muligheden for at begrænse dem, så de er i overensstemmelse med dine resultater. Dette sorte hul skal dreje, og rotationsaksen peger fra Jorden på ca. 17 grader.
Vi var endelig i stand til at bestemme, at der er materiale omkring det sorte hul, svarende til akkretionsskiver og vandløb. Vi vidste allerede, at M87 havde en jet - fra optiske observationer - og at den også udsendte i radio- og røntgenområdet. Denne form for stråling kan ikke kun opnås fra stjerner eller fotoner: du har brug for stof, såvel som elektroner. Kun ved at accelerere elektroner i et magnetfelt kan vi få den karakteristiske radioemission, som vi så: synkrotronstråling.
Og det krævede også utroligt meget modelleringsarbejde. Ved at finjustere alle mulige parametre for alle mulige modeller, lærer du, at disse observationer ikke kun kræver akkretionsstrømme for at forklare radioresultaterne, men også nødvendigvis forudsige ikke-radiobølgeresultater - som røntgenstråler. De vigtigste observationer blev foretaget ikke kun af EHT, men også af andre observatorier såsom Chandra røntgenteleskop. Akkretionsfluxerne skal opvarmes, som det fremgår af spektret af M87s magnetiske emissioner, i overensstemmelse med relativistiske accelererende elektroner i et magnetfelt.
Den synlige ring demonstrerer tyngdekraften og gravitationslinsen omkring det centrale sorte hul; og igen blev den generelle relativitet testet. Denne ring i radioområdet svarer ikke til selve begivenhedshorisonten og svarer ikke til ringen af roterende partikler. Og det er heller ikke den mest stabile cirkulære bane for et sort hul. Nej, denne ring stammer fra en sfære af gravitationslystne fotoner, hvis stier er bøjet af tyngdekraften i det sorte hul på vej til vores øjne.
Dette lys bøjer sig ind i en større sfære, end man kunne forvente, hvis tyngdekraften ikke var så stærk. Som Event Horizon Telescope Collaboration skriver:
"Vi fandt, at mere end 50% af den samlede flux i buesekunder passerer nær horisonten, og at denne stråling undertrykkes kraftigt, når den rammer denne region med en faktor 10, hvilket er direkte bevis for den forudsagte skygge af et sort hul."
Einsteins generelle relativitetsteori viste sig at være korrekt igen.
Sorte huller er dynamiske fænomener, deres stråling ændrer sig over tid. Med en masse på 6,5 milliarder solskin vil det tage lys omkring en dag at krydse det sorte huls begivenhedshorisont. Dette sætter nogenlunde den tidsramme, i hvilken vi kan forvente at se ændringer og udsving i emissionen observeret af EHT.
Selv observationer, der varede i flere dage, gjorde det muligt for os at bekræfte, at strukturen af den udsendte stråling ændrer sig over tid, som forudsagt. Data fra 2017 indeholder fire nætter med observationer. Selv hvis du ser på disse fire billeder, kan du visuelt se, at de første to har lignende funktioner, og de sidste to også, men der er betydelige forskelle mellem den første og den sidste. Med andre ord ændrer egenskaberne ved stråling omkring det sorte hul i M87 over tid.
EHT vil i fremtiden afsløre den fysiske oprindelse af sorte hul bursts. Vi har set, både i røntgen- og radiobånd, at et sort hul i midten af vores egen Mælkevej udsender korte udbrud af stråling. Selvom det allerførste sorte hulbillede blev vist et supermassivt objekt i M87, vil det sorte hul i vores galakse - Skytten A * - være lige så stort og kun ændre sig hurtigere.
Sammenlignet med massen på M87 - 6,5 milliarder solmasser - vil Skytten A * kun være 4 millioner solmasser: 0,06% af den første. Det betyder, at der ikke længere kan observeres udsving i løbet af dagen, men inden endda et minut. Funktionerne i det sorte hul vil ændre sig hurtigt, og når et udbrud opstår, kan vi afsløre dets natur.
Hvordan er fakkelerne relateret til temperaturen og lysstyrken i det radiobillede, vi så? Er der magnetisk tilslutning igen, som i vores sols koronale masseudsprøjtninger? Sprækker der noget i akkretionsstrømmene? Skytten A * blinker dagligt, så vi vil være i stand til at knytte alle de nødvendige signaler til disse begivenheder. Hvis vores modeller og observationer er så gode, som de var for M87, kan vi muligvis bestemme, hvad der driver disse begivenheder og måske endda vide, hvad der falder ned i det sorte hul, der skaber dem.
Der kommer frem polarisationsdata, der afslører, om sorte huller har deres eget magnetfelt. Mens vi alle helt sikkert var glade for at se det første øjebliksbillede af et sorte huls begivenhedshorisont, er det vigtigt at forstå, at der snart vil opstå et helt unikt billede: polarisering af lys, der stammer fra et sort hul. På grund af lysets elektromagnetiske natur vil dets interaktion med magnetfeltet præcisere en bestemt polarisationssignatur på det, så vi kan rekonstruere det sorte huls magnetfelt, samt hvordan det ændrer sig over tid.
Vi ved, at stof uden for begivenhedshorisonten, som i det væsentlige bevæger ladede partikler (som elektroner), genererer sit eget magnetfelt. Modeller indikerer, at feltlinjer enten kan forblive i akkretionsstrømme eller passere gennem begivenhedshorisonten og danne et slags "anker" i det sorte hul. Der er en forbindelse mellem disse magnetfelter, akkretion og sort hulvækst og jetfly. Uden disse felter kunne stof i akkretionsstrømme ikke miste vinkelmomentet og falde ind i begivenhedshorisonten.
Polarisationsdata vil takket være kraften i polarimetrisk billeddannelse fortælle os om dette. Vi har allerede dataene: det gjenstår at udføre en komplet analyse.
Event Horizon-teleskopforbedringen afslører tilstedeværelsen af andre sorte huller i nærheden af galaktiske centre. Når planeten kredser rundt Solen, skyldes det ikke kun, at Solen har en gravitationseffekt på planeten. Der er altid en lige og modsat reaktion: planeten påvirker solen. Ligeledes, når en genstand kredser rundt om et sort hul, udøver det også tyngdekrafttryk på det sorte hul. I nærværelse af et helt sæt masser nær galaksernes centre - og i teorien mange usynlige sorte huller indtil videre - skulle det centrale sorte hul bogstavelig talt ryste på sin plads og trækkes fra hinanden af den omgivende legems browniske bevægelse.
Kunsten at foretage denne måling i dag er, at du har brug for et referencepunkt for at kalibrere din position i forhold til placeringen af det sorte hul. Teknikken til denne måling forudsætter, at du ser på kalibratoren, derefter på kilden, igen på kalibratoren, igen på kilden, og så videre. På samme tid skal du flytte dit blik meget hurtigt. Desværre ændrer atmosfæren sig meget hurtigt, og meget kan ændre sig på 1 sekund, så du har simpelthen ikke tid til at sammenligne to objekter. Under ingen omstændigheder ikke med moderne teknologi.
Men teknologien på dette område udvikler sig utroligt hurtigt. De værktøjer, der bruges på EHT, afventer opdateringer og kan muligvis nå den krævede hastighed i midten af 2020'erne. Dette puslespil kunne løses ved udgangen af det næste årti takket være forbedret instrumentering.
Endelig vil Event Horizon Telescope til sidst se hundreder af sorte huller. For at adskille et sort hul skal opløsningen af teleskoparrayet være bedre (dvs. høj opløsning) end størrelsen på det objekt, du leder efter. I øjeblikket kan EHT kun fremstille tre kendte sorte huller i universet med en tilstrækkelig stor diameter: Skytten A *, centrum af M87, midten af galaksen NGC 1277.
Men vi kan øge kraften i Event Horizon-teleskopets øje til Jordens størrelse, hvis vi lancerer teleskoperne i kredsløb. I teorien er dette allerede teknisk opnåeligt. Stigningen i antallet af teleskoper øger antallet og hyppigheden af observationer samt opløsningen.
Ved at foretage de nødvendige forbedringer i stedet for 2-3 galakser vil vi være i stand til at finde hundreder af sorte huller eller endnu mere. Fremtiden for fotoalbum i sort hul ser lys ud.
Event Horizon Telescope-projektet var dyrt, men det betalte sig. I dag lever vi i epoken med sort hul astronomi og har endelig været i stand til at observere dem med vores egne øjne. Dette er blot begyndelsen.
Ilya Khel
