I april 2019 gjorde Event Horizon Telescope samarbetshistoria historia när den släppte den första bilden av ett svart hål som någonsin tagits. Denna prestation var i decennier och skapade en internationell mediecirkus. Bilden var resultatet av en teknik som kallas interferometri, där observatorier över hela världen kombinerade ljus från sina teleskoper för att skapa en sammansatt bild.
Den här bilden visade vad astrofysiker har förutspått under lång tid, att extrem gravitationsböjning får fotoner att falla in runt händelseshorisonten, vilket bidrar till de ljusa ringarna som omger dem. Förra veckan, den 18 mars, tillkännagav ett team av forskare från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ny forskning som visar hur bilder i svart hål skulle kunna avslöja en invecklad understruktur inom dem.
Studien som beskriver deras resultat, med titeln "Universal interferometriska signaturer av ett svart hålets fotonring", dykte nyligen upp i tidskriften Vetenskapliga framsteg. Teamet leddes av Michael Johnson, en astrofysiker vid CfA, och inducerade medlemmar från Harvards Black Hole Initiative (BHI), Los Alamos National Laboratory, Princeton Center for Theoretical Science och flera universitet.
Som Johnson förklarade i ett nyligen pressmeddelande från CfA:
”Bilden av ett svart hål innehåller faktiskt en kapslad serie ringar. Varje på varandra följande ring har ungefär samma diameter men blir allt skarpare eftersom dess ljus kretsade om det svarta hålet flera gånger innan den når observatören. Med den nuvarande EHT-bilden har vi bara fått en glimt av den fulla komplexiteten som borde dyka upp i bilden av alla svarta hål. "
Som lagen om allmän relativitet berättar förändrar gravitationsfält krumningen av rymdtiden. När det gäller ett svart hål är effekten extremt och får jämnt ljus (fotoner) att tränga runt dem. Dessa fotoner kastar en skugga på den ljusa ringen av infalling gas och damm som accelereras till relativistiska hastigheter av det svarta hålets gravitation.
Runt detta skuggade område är en "fotonring" producerad av fotoner som är koncentrerade av den starka gravitationen nära det svarta hålet. Denna ring kan berätta astronomer mycket om ett svart hål eftersom dess storlek och form avslöjar massan och rotationen (aka. "Spin") av det svarta hålet. På grund av EHT-bilderna har forskare i svart hål nu ett verktyg för att studera svarta hål.
Sedan 1950-talet har astronomer lärt sig mycket om dem genom att studera effekten de har på sin omgivning. Studien av svarta hål har med andra ord varit indirekt och teoretisk. Men med förmågan att ta bilder av dessa himmelsföremål kan astronomer äntligen studera dem direkt och samla in reella data.
George Wong, en forskarstuderande vid fysik vid University of Illinois i Urbana-Champaign, var ansvarig för att utveckla programvara för att producera simulerade bilder i svart hål. Denna programvara är det som tillät att bilder som hade den högsta upplösningen hittills kan beräknas och tillät deras team att sönderdela dem till den förutsagda serien med underbilder. Som Wong antydde:
”Att samla experter från olika områden gjorde det möjligt för oss att verkligen koppla en teoretisk förståelse av fotonringen till vad som är möjligt med observation. Det som började när klassiska penna-och-pappersberäkningar fick oss att driva våra simuleringar till nya gränser. ”
Det som dock var särskilt överraskande för forskarna var hur understrukturen som avslöjats av bilden av det svarta hålet skapar nya möjligheter för forskning. Medan subringarna som de avslöjade normalt är osynliga för blotta ögat på bilder, ger de mycket tydliga signaler när de observeras av matriser av teleskoper med interferometri.
Detta ger astronomer ett relativt enkelt sätt att utvidga det arbete som EHT-samarbetet hittills har utfört. "Medan du tar bilder av svarthål kräver normalt många distribuerade teleskoper, är sugningsdelarna perfekta att studera med bara två teleskop som är mycket långt ifrån varandra," sade Johnson. "Att lägga till ett rymdteleskop till EHT skulle räcka."
Områdena astronomi och astrofysik har upplevt flera revolutioner de senaste åren. Mellan de första observationerna av interstellära objekt, bekräftelsen av gravitationsvågor och de första direkta observationerna av ett svart hål. Dessa första har möjliggjort forskning som lovar att låsa upp ett antal bestående mysterier om kosmos.
Teamets forskning möjliggjordes delvis genom bidrag som utfärdats av NASA, National Science Foundation (NSF), Department of Energy (DoE) och flera vetenskapliga och forskningsstiftelser.
