Най-големият обект на нощното ни небе - далеч! - е невидим за нас. Обектът е Супермасивната черна дупка (SMBH) в центъра на нашата галактика Млечен път, наречена Стрелец А. Но скоро може да имаме изображение на хоризонта на събитията на Стрелец А. И този образ може да представлява предизвикателство за Теорията на общата относителност на Айнщайн.
Никой не е виждал хоризонта на събитията в черна дупка. Интензивното гравитационно дърпане предотвратява изтичането на каквото и да било, дори светлината. Хоризонтът на събитията е точката на връщане назад. Без значение, светлина и никаква информация не могат да избягат. Но може би сме близо до получаването на изображение на хоризонта на събитията на Стрелец А, благодарение на телескопа на хоризонта на събитията (EHT).
EHT е международно сътрудничество, предназначено да изследва непосредствената среда на черна дупка. Това не е един телескоп, а свързана система от радиотелескопи по целия свят, които работят заедно, използвайки интерферометрия. Чрез измерване на електромагнитната енергия от района, заобикалящ черната дупка с множество радиоактивни съдове на множество места, могат да се получат някои от свойствата на източника.
Изследователи с EHT се надяват, че техните наблюдения в крайна сметка ще предоставят изображения на интензивните гравитационни ефекти, които очакваме да видим в близост до черната дупка. Те също така се надяват да открият част от динамиката при работа в близост до дупката, тъй като орбиталната материя в акредиращия диск достига релативистка скорост.
Проектът EHT събра данни за Стрелец А и още една черна дупка, наречена M87 в центъра на галактиката Дева А, за период от четири години. Четирите години приключиха през април 2017 г., но екипът от 200 учени и инженери все още анализира данните. Междувременно екипът пусна изображения на компютърни модели на това, което се надяват да видят.
Изображението може да не изглежда много, но е значително. Това е еквивалент на четене на заглавие на вестника на Луната, докато стоите на Земята. Изображението може да ни помогне да отговорим на някои объркващи въпроси относно черните дупки:
- Каква роля изиграха черните дупки при образуването на галактики?
- Как изглеждат светлината и материята, когато попадат към черна дупка?
- От какво са направени потоците на енергия от черни дупки?
Също така има вероятност изображението, което EHT създава на Стрелец А ще означава, че теорията на Айнщайн за обща относителност ще трябва да бъде актуализирана. (Макар че обикновено е лоша идея да залагате срещу Айнщайн.)
Черни дупки и хоризонтът на събитията
Черните дупки са в основата на труп на звездата. Когато много масивна звезда изгаря цялото си гориво, тя се срива в изключително плътна точка или сингулярност. Черната дупка има невероятно мощно гравитационно дърпане, което дърпа газ и прах към нея. Веднъж на всеки 10 000 години или повече, Стрелец А дори консумира звезда.
Хоризонтът на събитията е като черупка около черната дупка. Щом някоя материя - или дори светлина - достигне хоризонта на събитията, играта свършва. Черната дупка нараства с размер, тъй като консумира материя, а хоризонтът на събитията също се разширява.
Стрелец А, нашата собствена супермасивна черна дупка (SMBH), е масивна. Той има маса 4 милиона пъти по-голяма от Слънцето. Но дори и да е така, тя не е толкова голяма в сравнение с другите SMBH Другият SMBH в EHT проекта е доста по-голям, с маса 7 милиарда пъти по-голям от този на Слънцето.
EHT ще произведе изображение на хоризонта на събитията, като изучава зоната около черната дупка. Нещо се случва с материала, докато попадне в черната дупка. Той образува натрупващ се диск от въртеливи газове и прах, които по принцип са в задържащ модел, докато не се всмукне в дупката. Този материал ускорява до релативистични скорости, което означава близо до скоростта на светлината. Когато това се случи, материалът се прегрява и той излъчва енергия.
Но черната дупка е толкова мощна гравитационно, че огъва тази светлина в явление, наречено гравитационно обективиране. Този обектив създава тъмен регион, който се нарича сянка на черната дупка. Според теорията хоризонтът на събитията трябва да бъде около 2,5 пъти по-голям от сянката. Така че след като учените имат изображение на сянката, те знаят размера на хоризонта на събитията. Размерът на хоризонта на събитията е пропорционален на масата на черната дупка. Така че в случая на Стрелец А, той трябва да бъде с диаметър около 24 милиона км (15 мили мили).
Така че няма да има снимки на самата черна дупка, но ще има изображения на сянката, която черната дупка хвърля. Научно, това е голям скок в разбирането ни за черните дупки. И в случай че има някакво съмнение за съществуването на черни дупки, изображението на сянката ще даде солидни доказателства, че черните дупки наистина са там.
EHT и Jets
Въпреки огромния размер на Стрелец А, в небето е малко. Това е твърде малко, за да види един телескоп. Ето защо EHT беше приложен. Той комбинира 7 отделни радиотелескопа по цял свят в един голям виртуален телескоп, използвайки техника, наречена много дълга базова линия интерферометрия (VLBI), нещо, с което афономичните привърженици са запознати. Виртуалният телескоп има много по-голяма разделителна мощност от един обхват и позволи на астрономите да проучат района близо до Sgr. А.
По време на едноседмичен период през април 2017 г. екипът на EHT посочи всичките седем от обхвата си на Sgr A и седем атомни часовника записаха времето на пристигането на сигналите на всеки телескоп. Изучавайки и комбинирайки сигналите, учените могат да създадат картина на Sgr A. Това отнема много време процес, който продължава.
Енергичните струи, които изтичат от близост до черна дупка, представляват особен интерес за изследователите. Материята, която се върти в диска за натрупване на черна дупка, се загрява до милиарди градуса. Част от нея влиза в черната дупка, но не цялата.
Енергийните струи са частта, която избягва от акредиращия диск. Те пътуват с близка скорост на светлината в продължение на десетки хиляди светлинни години. Учените искат да знаят повече за тях.
Когато става въпрос за Sgr. А, не знаем дали има струи. През последните няколко десетилетия не беше много активен, така че може да няма струи. Но ако те са там, EHT ще вземе радиосигнали. Тогава може да получим отговори на някои основни въпроси относно струите:
- Как започват?
- Как те ускоряват до релативистични скорости?
- Как остават плътно фокусирани?
- От какво точно са направени те?
Проблемът с общата относителност на Айнщайн ли е?
Вероятно не. Но има шанс
По-голямата част от нашата Слънчева система е доста прозаично, работно място. И оттам идва повечето от нашите наблюдателни доказателства в подкрепа на общата относителност. Но регионът около черната дупка не е нормален квартал.
Условията там са екстремни. Интензивна гравитация, прегряти струи материал, движещи се с близка скорост на светлината, и хоризонт на събитието. Но по отношение на общата относителност, става въпрос най-вече за гравитация и светлина.
Общата относителност предсказва, че гравитацията на черната дупка ще извие времето на пространството и ще привлече всичко към нея, включително светлината. Данните, събрани от EHT, ще осигурят измервания на това явление, които могат да се сравнят с прогнозите на Айнщайн. Ако данните съвпадат с прогнозите, Айнщайн печели отново.
Общата относителност прави друго предсказание: сянката, хвърлена от акредиращия диск, трябва да е кръгла. Ако тя не е кръгла и е по-скоро яйцевидна, формулите в общата относителност не са напълно точни.
Джон Уордъл е астроном, който изучава черните дупки от десетилетия, още когато те са били просто теоретична конструкция. Той е силно ангажиран в проекта EHT. Уордъл смята, че Общата относителност ще издържи на този тест и че Айнщайн ще спечели отново. Но ако Общата относителност не успее с този тест, ще се окажем в много трудна и странна ситуация.
„Тогава ще бъдем в тежко право яке, защото не можете да правите промени, които объркват всички останали битове, които вършат работа“, каза Уордъл. "Това би било много вълнуващо."
- Пресцентър на университета Brandeis: „Как изглежда черна дупка?“
- Телескоп за хоризонт на събитията
- Вписване в Уикипедия: Интерферометрия
- Запис в Уикипедия: Хоризонт на събитията
