I midten af en galakse kaldet Messier 87, omkring 55 millioner lysår væk, omkring hvilket hele galaksens stof kredser, ligger der et monster: et supermassivt sort hul. Med omkring 6, 5 milliarder gange solens masse, er det sorte hul i midten af M87 så tæt, at dens flugthastighed eller hastigheden, der er nødvendig for at undslippe objektets tyngdekraft, er mere end lysets hastighed. Følgelig kan ikke engang lysfotoner slippe ud, når de vandrer for tæt.
Men lad ikke navnet "sort hul" narre dig. ”I form af et paradoks af naturen er sorte huller, som ikke tillader lys at flygte, nogle af de lyseste objekter i universet, ” siger Shep Doeleman, en senior forsker med Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og instruktøren af Event Horizon Telescope (EHT) -projektet, en international indsats for direkte at forestille et supermassivt sort hul med teleskoper rundt om i verden.
I dag frigav EHT-projektet, inklusive otte observatorier og over 60 videnskabelige institutioner i mere end 20 lande, det første billede af et sort hul. ”Dette er første gang, jeg har set dette billede lige nu, ” siger France Córdova, direktøren for National Science Foundation (NSF), på en pressekonference i National Press Club. ”Og det bragte tårer i mine øjne. Dette er en meget stor aftale. ”
Seks videnskabelige artikler blev også offentliggjort i dag i Astrophysical Journal, hvor de første direkte observationer af et sort hul blev beskrevet.
Selvom lys ikke selv kan undslippe et sort hul, omgiver en slags grænse hvert sort sort hul, kendt som begivenhedshorisonten. Enhver sag, der vandrer ud over begivenhedshorisonten, forbruges af det sorte hul, men når gasser hober sig op lige uden for begivenhedshorisonten, opvarmes de til hundreder af milliarder grader og udsender en enorm mængde stråling over galaksen. Begivenhedshorisonten omkring det sorte M87-hul er ca. 1, 5 lysdage på tværs af, eller omkring 40 milliarder kilometer, omtrent samme størrelse som vores solsystem.
”Hvad man forventer, hvis man ser et supermassivt sort hul midt i en galakse, og vi tror, at de findes i centrum for de fleste galakser, er, at den intense tyngdekraft trækker gassen i nærheden mod det sorte hul, og det varmer op, ”siger Doeleman. "Du prøver at komprimere en masse gas ind i det mindste volumen, du kan forestille dig ... og alt det meget meget varmt gas udsender [lys]."
Efter flere års planlægning af over 200 internationale videnskabsfolk, er de data, der påstås at vise det første billede af et sort hul nogensinde, klar. Holdet samles for den store afsløring - det er et seismisk øjeblik i astrofysik.Observationer af det sorte hul i midten af M87 afslører, at det roterer med uret. I bunden af billedet, hvor lysringen er lysere, bevæger rotationen af det sorte hul sig mod os, mens delen af ringen øverst på billedet bevæger sig væk.
At tage et billede af den brændende gas, der omgiver et sorte huls begivenhedshorisont, som astronomer kalder det sorte huls "skygge" eller dets "silhuet" har ikke vist nogen let opgave. Det sorte M87-hul er i midten af galaksen, sløret bag lyse stjerner og store skår af gas og støv. For at fange fotonerne af lys, der formår at undslippe tyngdekraften i det supermassive sorte hul, trukket ind mod begivenhedshorisonten, før de flyver 55 millioner lysår gennem M87 og over intergalaktisk rum til Jorden, har astronomer knyttet nogle af de mest magtfulde radio teleskoper nogensinde bygget til på en måde at konstruere et teleskop på størrelse med Jorden.
"Der er et specielt felt kaldet Very Long Baseline Interferometry, hvor du binder radioskiver rundt om i verden, og du får ekstremt høje forstørrelser, " siger Doeleman. Observatorier med radioastronomi, fra Sydpoleteleskopet til Grønlands Teleskop, har bidraget eller vil bidrage med observationer til EHT. "Med VLBI-teknikken, hvor du gør hele Jorden til et teleskop, skal du forbinde retter på hver side af Jorden ved hjælp af et netværk af atomur, og det er hvad vi gør."
Event Horizon Telescope indsamlede dataene for det første sort hulbillede i 2017. Ved at bruge atomur til at justere observationer i tide og supercomputere til at samle petabytes af data, kan forskere effektivt opnå opløsningen af et jordstørret teleskop - men ikke lysopsamlingsevnen, så teknikken kan kun bruges til at observere meget lyse genstande. VLBI kan kun samle radiobølger på overfladerne på skålene, der konstant roterer med Jorden, og holder øje med centrum af M87.
Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), der ligger i det nordlige Chile med Mælkevejen synligESO / Y. Beletsky på himlen. ALMA er det mest kraftfulde radioobservatorium i Event Horizon Telescope-netværket. (ESO / Y. Beletsky) ”Du kan tænke på disse teleskoper som små sølvstykker på et jordstørrelses spejl, og når de bevæger sig rundt sporer de ud refleksionsstrenge, og så du ender med at væve sammen eller spinde et jordstørret teleskop - næsten bygger et web, som en edderkop gør, ”siger Doeleman.
Teleskopene samler ekstremt høyfrekvente (EHF) radiobølger, næsten infrarødt lys på det elektromagnetiske spektrum, med en bølgelængde på 1, 3 millimeter. Frekvensen er “bare perfekt” for at gøre den ekspansive rejse fra kanterne af et sort hul til vores radioskåle, siger Doeleman. Observatorierne drejer sig generelt mod M87 om natten og i månederne marts og april, når atmosfæriske vanddamp er på deres laveste niveauer.
Event Horizon Telescope har også observeret Skytten A *, det supermassive sorte hul i midten af vores egen galakse, Mælkevejen. Skytten A * (udtales som "Skytten A-stjerne") er et meget mindre aktivt supermassivt sort hul end det i midten af M87. Skytten A *, der er placeret ca. 26.000 lysår væk, er lille nok til, at den vises omtrent samme størrelse på himlen som den meget længere M87.
Mange forskere mener, at sorte huller er fornuftige inden for den teoretiske fysik, men de kunne ikke rigtig eksistere i det virkelige liv. At tage et billede af et sort hul ville ændre alt det.Ud over den glødende begivenhedshorisont omkring det sorte M87-hul skubber objektet stråler af materiale fra dets poler ud i rummet. ”Du får disse jetfly af relativistiske partikler, fordi det selvfølgelig er meget meget energisk, der kan strømme ud i titusinder af lysår, ” siger Doeleman. "De kan gå hele vejen over hele galaksen, og det er den frigørelse af energi i galaktisk skala, der kan ændre den måde, en hel galakse ser ud på."
Strålenes energi, der strømmer fra et supermassivt sort hul, bestemmes af, hvor meget stof det sorte hul forbruger, samt dets rotation, magnetfelt og andre egenskaber. ”Jetflyene svarer til 10 milliarder supernovaer i energi, ” siger Sera Markoff, medlem af EHT's videnskabsråd og en professor ved University of Amsterdam, på pressekonferencen. ”Disse bizzare synkehuller i stoffet i rummet har mange konsekvenser af sig selv, ” siger Markoff. Når et sort hul sprøjter ud enorme mængder energi, forhindrer det, at gasserne omkring begivenhedshorisonten danner nye stjerner og stimulerer væksten af galakser.
I midten af et sort hul er ifølge Einsteins generelle relativitetsteori et singularitetspunkt, hvor alt genstandens stof kondenseres til et volumen, der er så lille, at tætheden i det væsentlige er uendelig. På dette tidspunkt antages de kendte fysiske love at bryde sammen. Tættere på begivenhedshorisonten vil forskere imidlertid undersøge formen af det sorte huls silhuet for at teste relativitetslovene.
”Jeg må indrømme, at jeg var lidt bedøvet over, at det stemte så tæt sammen med de forudsigelser, vi havde lavet, ” siger Avery Broderick, en astrofysiker hos EHT og lektor ved University of Waterloo, på pressekonferencen. ”Det er glædeligt, men også lidt foruroligende.”
Formen på lyset omkring det sorte hul, kendt som fotonringen, hvor lys kredser om midten, tjener som den mest intensive test af Einsteins tyngdekorater, der nogensinde er blevet gennemført.
”En af grundene til, at du ser den ring, der er lys, er, at det er den bane, hvorpå fotoner er begrænset til at bevæge sig i en cirkel omkring det sorte hul, ” siger Doeleman. ”Det er virkelig usædvanligt - du tager et objekt som en foton, der kører så hurtigt, som alt kan gå i universet, det hurtigste du kan bevæge dig, og så er du klar over, at der er et objekt kaldet et sort hul, der får den lysstråle til at bøje sig ind en komplet cirkel. Og det er i bund og grund, hvad du ser. ... Og hvis du går gennem Einsteins ligninger, er det en meget speciel bane. ”
At se ringen omkring et sort hul, og dens skygge silhuet mod kosmos, har bekræftet, at den teoretiske fysik, der blev lagt ned for mere end 100 år siden, stadig gælder "i et af de mest ekstreme laboratorier, som universet giver os."
”Jeg tror, det taler til den menneskelige ånd ærligt, at vi er i stand til at trække den af, ” siger Doeleman.
Black Hole Hunters har premiere fredag den 12. april kl. 21 på Smithsonian Channel.
