Event Horizon Telescope, en planskalig uppsättning av åtta markbaserade radioteleskop smidda genom internationellt samarbete, fångade denna bild av det supermassiva svarta hålet i mitten av galaxen M87 och dess skugga.
(Bild: © EHT Collaboration)
Svarta hål har äntligen dragits ur skuggorna.
För första gången någonsin har mänskligheten fotograferat ett av dessa svårfångade kosmiska djur och skenat ljus på en exotisk rymdtid som sedan länge varit bortom vår ken.
"Vi har sett vad vi tyckte var osynligt," sa Sheperd Doeleman från Harvard University och Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics idag (10 april) under en presskonferens vid National Press Club i Washington, D.C.
Doeleman leder projektet Event Horizon Telescope (EHT) som fångade de episka bilderna. Dessa fyra foton, som presenterades idag vid pressevenemang runt om i världen och i en serie publicerade artiklar, beskriver konturerna av det svarta monsterhullet som lurar i hjärtat av den elliptiska galaxen M87.
Bildmaterialet är tillräckligt förblåst i sin egen rätt. Men ännu mer betydelsefullt är det spår som de nya resultaten troligen kommer att blända, sade forskare.
"Det finns verkligen ett nytt område att utforska," sade Peter Galison, professor i fysik och vetenskapshistoria vid Harvard, i ett EHT-föredrag förra månaden på festivalen South by Southwest (SXSW) i Austin, Texas. "Och det är i slutändan det som är så spännande med det här."
Galison, som grundade Harvards tvärvetenskapliga Black Hole Initiative (BHI), jämförde bildmaterialets potentiella påverkan med den av den engelska forskaren Robert Hookes ritningar på 1600-talet. Dessa illustrationer visade människor hur insekter och växter ser ut genom ett mikroskop.
"Det öppnade en värld," sade Galison om Hookes arbete.
Ett teleskop på jorden
EHT är ett konsortium av mer än 200 forskare som har varit i arbeten i cirka två decennier. Det är en verkligt internationell strävan; finansiering under åren har kommit från U.S. National Science Foundation och många andra organisationer i länder runt om i världen.
Projektet tar sitt namn från ett svart hols berömda punkt utan återvändande - gränsen utanför att ingenting, inte ens ljus, kan undgå objektets gravitationella kopplingar.
"Händelseshorisonten är den ultimata fängelseväggen," berättade BHI: s grundare Avi Loeb, ordförande för Harvards astronomiavdelning, Space.com. (Loeb är inte en del av EHT-teamet.) "När du är inne kan du aldrig komma ut."
Det är därför omöjligt att fotografera det inre av ett svart hål, såvida du inte på något sätt lyckas komma in där själv. (Du och dina bilder kunde naturligtvis inte komma tillbaka till omvärlden.)
Så EHT avbildar händelseshorisonten och kartlägger det svarta hålets mörka silhuett. (Disken med snabbrörande gas som virvlar runt och in i svarta hål avger mycket strålning, så sådana silhuetter sticker ut.)
"Vi letar efter förlusten av fotoner", säger EHT: s vetenskapsrådsledamot Dan Marrone, docent i astronomi vid University of Arizona, till Space.com.
Projektet har granskat två svarta hål - M87-behemoth, som har cirka 6,5 miljarder gånger jordens solmassa, och vår egen Vintergalaxens centrala svarta hål, känd som Skytten A *. Det senare objektet, även om det fortfarande är ett supermassivt svart hål, är en rund jämfört med M87s odjur, som innehåller bara 4,3 miljoner solmassor.
Båda dessa föremål är tuffa mål på grund av deras enorma avstånd från jorden. Skytten A * ligger cirka 26 000 ljusår från oss, och M87: s svarta hål är 53,5 miljoner ljusår bort.
Ur vårt perspektiv är Skytten A *: s händelseshorisont "så liten att det motsvarar att man ser en apelsin på månen eller att kunna läsa tidningen i Los Angeles medan du sitter i New York," sa Doeleman under SXSW-evenemanget förra månaden.
Inget enda teleskop på jorden kan göra den observationen, så Doeleman och resten av EHT-teamet var tvungna att bli kreativa. Forskarna har kopplat ihop radioteleskop i Arizona, Spanien, Mexiko, Antarktis och andra platser runt om i världen och bildar ett virtuellt instrument på jorden.
Så mycket data
EHT-teamet har använt detta megaskop för att studera de två supermassiva svarta hålen för två veckolånga sträckor hittills - en gång i april 2017 och igen året därpå. De nya bilderna kommer från det första observationsprogrammet.
Det finns goda skäl till varför det tog två år för projektets första resultat. För en sak genererade varje observationsnatt ungefär 1 petabyte data, vilket resulterar i ett sådant drag att teamet måste flytta sin information från plats till plats på gammaldags sätt.
"Det finns inget sätt att vi kan överföra dessa data via internet," sa EHT-projektforskaren Dimitrios Psaltis, astronomiprofessor vid University of Arizona, vid SXSW-evenemanget. "Vad vi faktiskt gör är att vi tar våra hårddiskar och vi FedEx dem från plats till plats. Det är mycket snabbare än någon kabel som du någonsin kan hitta."
Detta bromsar och komplicerar självklart analysen. Data från EHT-omfattningen nära Sydpolen, till exempel, kunde inte komma från Antarktis förrän i december 2017, då det var tillräckligt varmt för flygplan att gå in och ut, sade Marrone.
Korrelering och kalibrering av uppgifterna var också svårt, tillade han. Och teamet tog stor omsorg med detta arbete, med tanke på fyndets betydelsefulla karaktär.
"Om du kommer att komma med ett stort krav på att avbilda ett svart hål, måste du ha stora bevis, mycket starka bevis," sade Doeleman vid SXSW-evenemanget (som fungerade som en förklarare av EHT-ansträngningen men meddelade inte eventuella resultat).
"Och på vårt projekt tror vi ofta att människor som [Albert] Einstein, [Arthur] Eddington [och Karl] Schwarzschild ser ut över våra axlar", tillade han, med hänvisning till fysiker som hjälpte till att pionjera vår förståelse av svarta hål. "Och när du har armaturer som praktiskt taget kontrollerar ditt arbete, vill du verkligen få det rätt."
Vad allt betyder
EHT-projektet har två huvudmål, sade Psaltis: att föreställa en händelsehorisont för första gången någonsin och att hjälpa till att avgöra om Einsteins teori om generell relativitet behöver revideras.
Innan Einstein kom med, betraktades tyngdkraften generellt som en mystisk kraft på avstånd. Men den allmänna relativiteten beskriver det som vridning av rymdtid: Massiva föremål som planeter, stjärnor och svarta hål skapar ett slags sag i rymdtiden, precis som en bowlingboll skulle göra om den placeras på en trampolin. Närliggande föremål följer denna kurva och trattas mot den centrala massan.
Allmän relativitet har hållit otroligt bra under århundradet sedan dess introduktion och godkänt varje test som forskare har kastat på det. Men EHT: s observationer ger ytterligare en rättegång, i ett extremt område där förutsägelser kanske inte matchar verkligheten. Det beror på att astronomer kan beräkna den förväntade storleken och formen på en händelseshorisont med allmän relativitet, förklarade Psaltis.
Om den observerade silhuetten matchar de teorinformerade simuleringarna, "hade Einstein 100% rätt", sade Psaltis. "Om svaret är nej, måste vi finjustera hans teori för att få den att fungera med experiment. Så här går vetenskapen."
Och vi lärde oss idag att inga justeringar behövs, åtminstone för tillfället: EHT: s M87-observationer överensstämmer med allmän relativitet, sa teammedlemmarna. Nämligen är händelseshorisonten nästan cirkulär och är den "rätta" storleken för ett svart hål med den enorma massan.
"Jag måste erkänna att jag var lite förvånad över att det matchade så nära de förutsägelser som vi hade gjort," sa EHT-teammedlem Avery Broderick, University of Waterloo och Perimeter Institute for Theoretical Physics i Kanada, under dagens nyhetskonferens .
Sådan marktrutning är naturligtvis avgörande för den vetenskapliga processen. Att tillhandahålla bättre information för att mata in teorier och simuleringar kommer sannolikt att vara ett av EHT: s största bidrag, sa Loeb.
"Att göra fysik är en dialog med naturen," sade han. "Vi testar våra idéer genom att jämföra dem med experiment. Experimentella data är avgörande."
De nya resultaten borde också hjälpa forskare att få ett bättre grepp om svarta hål, sade han och andra forskare. Till exempel kommer EHT-bilder sannolikt att lysa betydande ljus på hur gasspiraler ner i ett svart håls klipp. Denna ackretionsprocess, som kan leda till generering av kraftfulla strålningsstrålar, är dåligt förstått, sade Loeb.
Dessutom kan formen på en händelseshorisont avslöja om ett svart hål snurrar, sade Fiona Harrison från Kaliforniens tekniska institut, den huvudsakliga utredaren av NASA: s black-hole-study Kärnspektroskopisk teleskopuppsättning (NuSTAR) uppdrag.
"Vi har utgått från rotationen av svarta hål indirekt," berättade Harrison, som inte ingår i EHT-teamet, till Space.com. EHT-bilder ger "ett direkt test, vilket är väldigt spännande", tillade hon.
EHT: s data avslöjade att M87 svarta hålet snurrar medurs, sade teammedlemmarna idag.
Projektet bör också visa hur materia fördelas runt ett svart hål, och EHT-observationer kan så småningom lära astronomer mycket om hur supermassiva svarta hål formar utvecklingen av deras värdgalaxer under lång tid skalor, sade Harrison.
EHT: s resultat passar också bra ihop med resultaten från Laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som har upptäckt rymden mellan rymden och tid som genererats av sammanslagningar som involverar svarta hål bara några dussin gånger massivare än solen.
"Trots att de varierar mellan en faktor miljarder i massa, är kända svarta hål alla förenliga med en enda beskrivning," sa Broderick idag. "Svarta hål stora och små är analoga på viktiga sätt. Det vi lär oss av en [typ] gäller nödvändigtvis för den andra."
Och om du undrar om Skytten A *: EHT-teamet hoppas få bilder av det supermassiva svarta hålet snart, sa Doeleman idag. Forskarna tittade först på M87, och det är lite lättare att lösa än Skytten A * eftersom det är mindre varierande under korta tidsskalor, förklarade han.
Ett nytt perspektiv?
Sedan finns det bredare tilltalet av de nyligen släppta bilderna - hur det talar till de av oss som inte är astrofysiker.
Bidragen på denna arena kan vara betydelsefulla, säger EHT-teammedlemmar och externa forskare. Foton kan förändra vårt sätt att tänka på oss själva och vår plats i universum, konstaterade Marrone, med hänvisning till det berömda "Earthrise" -fotoet som tagits av Apollo 8-astronauten Bill Anders i december 1968. Denna bild, som gav massorna en glimt av vår planet som det är verkligen - en ensam utpost av livet i ett oändligt hav av mörker - krediteras allmänt för att hjälpa till att driva miljörörelsen.
Att se ett svart hål i verkligheten - eller dess silhuett, i alla fall - "är saker av science fiction," sade Harrison. Och vi har sett projektets första foton, tilllade hon: "De kommer bara att bli bättre."
- Astronomer att kika in i ett svart hål för första gången med Event Horizon Telescope
- Detta enorma svarta hål snurrar på halva ljusets hastighet!
- 8 Baffling Astronomy Mysteries
Mike Walls bok om sökandet efter främmande liv, "Där ute"(Grand Central Publishing, 2018; illustrerad av Karl Tate), är ute nu. Följ honom på Twitter @michaeldwall. Följ oss på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
