Det största föremålet på vår natthimlen - överlägset! - är osynlig för oss. Objektet är Super-Massive Black Hole (SMBH) i mitten av vår Vintergalax, kallad Skytten A. Men snart kan vi ha en bild av Skytten A: s händelseshorisont. Och den bilden kan utgöra en utmaning för Einsteins teori om allmän relativitet.
Ingen har någonsin sett ett svart håls händelseshorisont. Den intensiva tyngdkraften förhindrar att allt, även ljus, rymmer. Händelseshorisonten är punkten utan återvändande. Oavsett, inget ljus och ingen information kan fly. Men vi kan vara nära att få en bild av Skytten A: s evenemangshorisont, tack vare Event Horizon Telescope (EHT).
EHT är ett internationellt samarbete utformat för att undersöka den omedelbara omgivningen i ett svart hål. Det är inte ett teleskop, utan snarare ett länkat system med radioteleskop över hela världen som alla arbetar tillsammans med interferometri. Genom att mäta den elektromagnetiska energin från det område som omger det svarta hålet med flera radioskålar på flera platser kan några av källans egenskaper härledas.
Forskare med EHT hoppas att deras observationer så småningom kommer att ge bilder av de intensiva gravitationseffekterna som vi förväntar oss att se nära det svarta hålet. De hoppas också att upptäcka en del av dynamiken på jobbet nära hålet när kretsar kring materien i ackretionsskivan når relativistisk hastighet.
EHT-projektet samlade in data om Skytten A och ett annat svart hål kallad M87 i centrum av Virgo A-galaxen under en fyraårsperiod. Att fyra år slutade i april 2017, men teamet med 200 forskare och ingenjörer analyserar fortfarande uppgifterna. Under tiden har teamet släppt datormodellbilder av vad de hoppas se.
Bilden kanske inte verkar så mycket, men den är betydande. Det är motsvarande att läsa en tidningsrubrik på månen när du står på jorden. Bilden kan hjälpa oss att svara på några förvirrande frågor angående svarta hål:
- Vilken roll spelade svarta hål i bildandet av galaxer?
- Hur ser ljus och materia ut när de faller mot ett svart hål?
- Vilka är energiströmmarna från svarta hål gjorda av?
Det finns också en chans att bilden som EHT producerar av Skytten A kommer att innebära att Einsteins teori om allmän relativitet måste uppdateras. (Det är vanligtvis en dålig idé att satsa mot Einstein.)
Black Holes and Event Horizon
Svarta hål är i grunden en stjärnkropp. När en mycket massiv stjärna brinner genom allt bränsle, kollapsar den till en extremt tät punkt, eller singularitet. Det svarta hålet har otroligt kraftfullt dragkraft som drar gas och damm mot det. En gång vart 10 000 år eller så konsumerar Skytten A till och med en stjärna.
Händelseshorisonten är som ett skal runt det svarta hålet. När någon fråga - eller till och med ljus - når händelseshorisonten är det spelet över. Det svarta hålet växer i storlek när det förbrukar materien, och händelseshorisonten expanderar också.
Skytten A, vår mycket egna Super-Massive Black Hole (SMBH), är massiv. Den har en massa som är 4 miljoner gånger större än solen. Men trots det är det inte så stort jämfört med andra SMBH: er. Det andra SMBH i EHT-projektet är mycket större, med en massa på 7 miljarder gånger solens.
EHT kommer att producera en bild av händelseshorisonten genom att studera området runt det svarta hålet. Något händer med materialet när det faller in i det svarta hålet. Det bildar en ackretionsskiva av virvlande gas och damm som i princip är i ett hållmönster tills det sugs in i hålet. Det materialet snabbar upp till relativistiska hastigheter, vilket betyder nära ljusets hastighet. När det händer överhettas materialet och det avger energi.
Men det svarta hålet är så kraftfullt tyngdkraft att det böjer det ljuset i ett fenomen som kallas gravitationslinsning. Denna linsning skapar en mörk region som kallas det svarta hålets skugga. Enligt teorin borde händelseshorisonten vara cirka 2,5 gånger större än skuggan. Så när forskare har en bild av skuggan, vet de storleken på händelseshorisonten. Storleken på händelseshorisonten är proportionell mot det svarta hålets massa. Så för Skytten A bör det vara ungefär 24 miljoner km (15 miljoner miles) i diameter.
Så det kommer inte att finnas några bilder av själva det svarta hålet, men det kommer att finnas bilder av skuggan som svarta hålet kastar. Vetenskapligt nog är det ett stort språng i vår förståelse av svarta hål. Och om det råder tvivel om att det finns svarta hål, kommer bilden av skuggan att ge solid bevis på att svarta hål verkligen finns där ute.
EHT och Jets
Trots Skytten A: s enorma storlek är den liten på himlen. Det är mycket för litet för ett enda teleskop att se. Det är därför EHT implementerades. Den kombinerar sju separata radioteleskoper runt om i världen till ett stort virtuellt teleskop med en teknik som kallas Very Long Baseline Interferometry (VLBI), något som astronomiknapparna är bekanta med. Det virtuella teleskopet har mycket större upplösningskraft än ett enda omfång och gjorde det möjligt för astronomer att studera området nära Sgr. A.
Under en veckas period i april 2017 pekade EHT-teamet alla sju sina 'omfattningar på Sgr A, och sju atomklockor registrerade tidpunkten för ankomsten av signaler vid varje teleskop. Genom att studera och kombinera signalerna kan forskare skapa en bild av Sgr A. Detta är en tidskrävande process som pågår.
De energiska strålarna som strömmar ut ur ett svart hål i närheten är av särskilt intresse för forskare. Målet som virvlar runt i ett svart hols ackretionsskiva värms upp till miljarder grader. En del av det kommer in i det svarta hålet, men inte det hela.
De energiska strålarna är den del som undviker ackretionsskivan. De reser nära ljusets hastighet i tiotusentals ljusår. Forskare vill veta mer om dem.
När det gäller Sgr. A, vi vet inte om det finns jetflygplan. Det har inte varit särskilt aktivt de senaste decennierna, så det kanske inte finns några jetflygplan. Men om de är där, kommer EHT att hämta radiosignaler där. Då kan vi få svar på några grundläggande frågor om jets:
- Hur börjar de?
- Hur accelererar de till relativistiska hastigheter?
- Hur förblir de tätt fokuserade?
- Vad exakt är de gjorda av?
Är Einsteins teori om allmän relativitet i problem?
Antagligen inte. Men det finns en chans.
De flesta av våra solsystem är en ganska prosaisk, arbetsdag plats. Och det är där de flesta av våra observationsbevis som stöder allmän relativitet kommer från. Men regionen kring ett svart hål är inte ett normalt grannskap.
Förhållandena där är extrema. Intensiv tyngdkraft, överhettade strålar av material som rör sig nära ljusets hastighet och händelseshorisonten. Men när det gäller allmän relativitet handlar det mest om tyngdkraft och ljus.
Allmän relativitet förutsäger att det svarta hålets tyngdkraft kommer att kröka rymden och dra allt mot det, inklusive ljus. Uppgifterna som samlats in av EHT kommer att ge mätningar av detta fenomen som kan jämföras med Einsteins förutsägelser. Om data matchar förutsägelser, vinner Einstein igen.
Allmän relativitet gör ytterligare en förutsägelse: skuggan som kastas av ackretionsskivan bör vara cirkulär. Om det inte är cirkulärt och mer är ett äggformat, är formlerna i General Relativity inte helt exakta.
John Wardle är en astronom som har studerat svarta hål i decennier, tillbaka när de fortfarande bara var en teoretisk konstruktion. Han är starkt involverad i EHT-projektet. Wardle tror att den allmänna relativiteten kommer att möta detta test och att Einstein kommer att vinna igen. Men om generell relativitet misslyckas med detta test, kommer vi att befinna oss i en mycket svår och konstig situation.
"Då kommer vi att vara i en svår rak jacka eftersom du inte kan göra förändringar som krossar alla andra bitar som fungerar," sa Wardle. "Det skulle vara väldigt spännande."
- Brandeis University Press Release: "Hur ser ett svart hål ut?"
- Event Horizon Telescope
- Wikipedia-inmatning: interferometri
- Wikipedia Entry: Event Horizon
