החור השחור, כפי שמודגם בסרט בין כוכבים, מראה אופק אירועים די מדויק עבור סוג מסוים מאוד של חורים שחורים מסתובבים. קרדיט תמונה: בין כוכבים / ר. הורט / קלטק.

2018 תהיה השנה שהאנושות ישירות 'רואה' את החור השחור הראשון שלנו

טלסקופ אופק האירועים עלה לרשת ולקח את הנתונים שלו. עכשיו, אנו מחכים לתוצאות.

חורים שחורים הם כמה מהאובייקטים המדהימים ביותר ביקום. ישנם מקומות שבהם התאספה כל כך הרבה מסה בנפח כה זעיר, עד שחלקיקי החומר האינדיבידואלי לא יכולים להישאר כפי שהם בדרך כלל, ובמקום זאת להתמוטט לסינגולריות. סביב ייחודיות זו נמצא אזור דמוי כדור הידוע אופק האירועים, מתוכו שום דבר לא יכול לברוח, גם אם הוא נע במהירות המרבית של היקום: מהירות האור. אמנם אנו מכירים שלוש דרכים נפרדות ליצירת חורים שחורים וגילינו עדויות לאלפים מהם, אך מעולם לא צילמנו באופן ישיר. למרות כל מה שגילינו, מעולם לא ראינו את אופק האירועים של חור שחור, ואפילו לא אישרנו שהם באמת היו כאלה. בשנה הבאה, כל זה עומד להשתנות, שכן התוצאות הראשונות מטלסקופ Event Horizon ייחשפו, ועונות על אחת השאלות ארוכות השנים באסטרופיזיקה.

מיקומם של כלי הרדיו המתוכננים הם חלק ממערך הטלסקופ Event Horizon. קרדיט תמונה: טלסקופ אופק אירועים / אוניברסיטת אריזונה.

הרעיון של חור שחור אינו חדש, מכיוון שמדענים הבינו במשך מאות שנים שככל שאתה אוסף יותר מסה לנפח נתון, אתה צריך לנוע במהירות גבוהה יותר ומהירה יותר כדי לברוח מהבאר הכבידתי שהוא יוצר. מכיוון שיש מהירות מקסימאלית שכל אות יכול לנוע בה - מהירות האור - תגיע לנקודה בה כל דבר מתוך האזור הזה נלכד. העניין בפנים ינסה לתמוך בעצמו כנגד התמוטטות הכבידה, אך כל חלקיקים הנושאים בכוח שהוא מנסה לפלוט מתכופפים לעבר הייחודיות המרכזית; אין דרך להפעיל דחיפה כלפי חוץ. כתוצאה מכך, ייחודיות היא בלתי נמנעת, מוקפת באופק אירועים. משהו שנופל לאופק האירועים? גם לכוד; מתוך אופק האירועים, כל השבילים מובילים לכיוון הייחודיות המרכזית.

איור של חור שחור פעיל, כזה שמכניס חומר ומאיץ חלק ממנו כלפי חוץ בשני מטוסים בניצב, עשוי לתאר את החור השחור במרכז הגלקסיה שלנו מבחינות רבות. קרדיט תמונה: מארק א. גרליק.

באופן מעשי, ישנם שלושה מנגנונים שאנו מכירים ליצירת חורים שחורים אמסטרופיזיים אמיתיים.

  1. כאשר כוכב מסיבי מספיק שורף דרך הדלק שלו והולך לסופרנובה, הליבה המרכזית יכולה להשתמט, ולהמיר שבר מהותי של כוכב טרום הסופרנובה לחור שחור.
  2. כששני כוכבי נויטרונים מתמזגים, אם מסתם המשולבת שלאחר המיזוג היא יותר מכ -2.5 עד 2.75 מסות שמש, הדבר יביא לייצור חור שחור.
  3. ואם כוכב מסיבי או ענן גז יכולים לעבור קריסה ישירה, גם הוא יפיק חור שחור, בו 100% מהמסה הראשונית עוברת לחור השחור הסופי.
יצירות אמנות הממחישות עיגול שחור פשוט, אולי עם טבעת סביבו, היא תמונה מפושטת יתר על המראה של אופק אירוע. קרדיט תמונה: ויקטור דה שוונברג.

עם הזמן, חורים שחורים יכולים להמשיך לטרוף את החומר, לגדול במסה ובגודל באופן מתמיד. אם אתה מכפיל את המסה של החור השחור שלך, הרדיוס שלו מוכפל גם כן. אם מגדילים אותו פי עשרה, הרדיוס עולה בגורם של עשרה, גם כן. המשמעות היא שככל שאתה עולה במסה - ככל שהחור השחור שלך גדל - אופק האירועים שלו הולך וגדל. מכיוון ששום דבר לא יכול לברוח ממנו, אופק האירועים צריך להופיע כ"חור "שחור בחלל, וחוסם את האור מכל החפצים שמאחוריו, המתחבר לכיפוף האור הכבידתי בגלל תחזיות היחסות הכללית. בסך הכל, אנו מצפים שאופק האירועים יופיע, מבחינתנו, בגודל של 250% ככל שהתחזיות המוניות מרמזות עליו.

חור שחור אינו רק מסה המונחת על רקע מבודד, אלא תציג אפקטים של כבידה המותחים, מגדילים ומעוותים את רקע הרקע כתוצאה מהעדשת הכבידה. קרדיט תמונה: Ute Kraus, קבוצת חינוך לפיזיקה Kraus, Universität Hildesheim; אקסל מלינגר (רקע).

אם ניקח בחשבון את כל זה, אנו יכולים להסתכל על כל החורים השחורים הידועים, כולל ההמונים שלהם וכמה הם רחוקים, ולחשב איזה מהם צריך להיראות הגדול מכדור הארץ. המנצח? מזל קשת A *, החור השחור במרכז הגלקסיה שלנו. המאפיינים המשולבים שלו להיות "רק" 27,000 שנות אור רחוקים, ובכל זאת להגיע למסה גדולה מרהיבה, פי 4,000,000 מזה של השמש, הופכת אותה למס '1. מעניין לציין כי החור השחור שפוגע מס '2 הוא החור השחור המרכזי של M87: הגלקסיה הגדולה ביותר באשכול הבתולות. אף על פי שמעל 6 מיליארד מסות שמש, הוא שוכן במרחק של 50-60 מיליון שנות אור. אם אתה רוצה לראות אופק אירועים, המרכז הגלקטי שלנו הוא המקום לחפש בו.

כמה מסימני הפרופיל האפשריים של אופק האירועים של החור השחור כפי שמראים סימולציות של טלסקופ אופק האירועים. קרדיט תמונה: מדע רזולוציה גבוהה ומדעי רגישות גבוהה מופעלים על ידי BMA בעל מבנה אלומיניום, V. Fish et al., ArXiv: 1309.3519.

אם היה לך טלסקופ בגודל כדור הארץ, ושום דבר בינינו ובין החור השחור כדי לחסום את האור, היית יכול לראות אותו, אין בעיה. אורכי גל מסוימים שקופים יחסית לחומר הגלקטי המתערב, כך שאם מסתכלים על אור באורך גל ארוך, כמו גלי רדיו, אתה יכול לראות את אופק האירועים עצמו. עכשיו אין לנו טלסקופ בגודל כדור הארץ, אבל יש לנו מערך של טלסקופים רדיו בכל רחבי העולם, והטכניקות לשילוב נתונים אלה לייצור תמונה אחת. טלסקופ אופק האירועים מפגיש את מיטב הטכנולוגיה הנוכחית שלנו, ואמור לאפשר לנו לראות את החור השחור הראשון שלנו.

מבט לטלסקופים השונים התורמים ליכולות ההדמיה של טלסקופ האירוע מאחת ההמיספרות של כדור הארץ. באפריל נלקחו נתונים שאמורים לאפשר איתור (או אי גילוי) של אופק אירועים סביב מזל קשת A * במהלך השנה הבאה. קרדיט תמונה: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. מלין.

במקום טלסקופ יחיד, טלסקופים רדיו 15 עד 20 ערוכים ברחבי העולם, תוך התבוננות באותו מטרה בו זמנית. עם עד 12,000 קילומטרים המפרידים בין הטלסקופים הרחוקים ביותר, ניתן לפתור עצמים קטנים עד 15 מיקרו-שניות (מיקרו-שניות): גודל זבוב על הירח. בהתחשב במסה ובמרחק של מזל קשת A *, אנו צופים כי הוא יראה גדול פי שניים מגודל זה: 37 מיקרו. בתדרי רדיו, עלינו לראות המון חלקיקים טעונים המואצים על ידי החור השחור, אך צריך להיות "חלל" בו אופק האירועים עצמו נמצא. אם נוכל לשלב את הנתונים בצורה נכונה, עלינו להיות מסוגלים לבנות תמונה של חור שחור בפעם הראשונה.

חמש הדמיות שונות בתורת היחסות הכללית, תוך שימוש במודל מגנטו-הידרודינמי של דיסק ההקרבה של החור השחור, וכיצד ייראה אות הרדיו כתוצאה מכך. שימו לב לחתימה הברורה של אופק האירועים בכל התוצאות הצפויות. קרדיט תמונה: הדמיות GRMHD של השתנות משרעת הראות לתמונות טלסקופ Event Horizon של Sgr A *, L. Medeiros et al., ArXiv: 1601.06799.

הטלסקופים המרכיבים את טלסקופ אופק האירוע צילמו את הצילום הראשון שלהם בתצפית על מזל קשת A * במקביל בשנה שעברה. הנתונים אוחדו, וכעת הם נערכים ומנותחים אותם. אם הכל יפעל כמתוכנן, נקבל את הדימוי הראשון שלנו בשנת 2018. האם הוא יופיע כפי שחזוי היחסות הכללית? יש כמה דברים מדהימים לבחון:

  • האם לחור השחור יש את הגודל הנכון כפי שחזה היחסות הכללית,
  • בין אם אופק האירועים הוא מעגלי (כצפוי), או להחליף או להאריך במקום זאת,
  • בין אם פליטות הרדיו נמשכות רחוק יותר משחשבנו, או
  • האם יש סטיות אחרות מההתנהגות הצפויה.
הכיוון של דיסק ההקרדה כשני הצד עם הפנים (שני פאנלים שמאליים) או כקצה האחורי (שני הפאנלים הימניים) יכולים לשנות באופן משמעותי את מראה החור השחור. קרדיט תמונה: 'לקראת אופק האירועים - החור השחור העל-מסיבי במרכז הגלקטי', קלאס. קוואנה גראב., פאלקה ומרקוף (2013).

לא משנה מה אנו עושים (או לא) בסופו של דבר לגלות, אנו מוכנים לבצע פריצת דרך מדהימה פשוט על ידי בניית הדימוי הראשון שלנו של חור שחור. לא נצטרך עוד להסתמך על הדמיות או תפיסות של אמן; נצטרך לעבוד עם תמונה ראשונה ממש על בסיס נתונים. אם זה מצליח, זה סולל את הדרך למחקרים בסיסיים ארוכים עוד יותר; עם מערך טלסקופי רדיו בחלל, נוכל להרחיב את טווח ההגעה שלנו מחור שחור בודד למאות רבות מהן. אם 2016 הייתה שנת גל הכבידה ושנת 2017 הייתה שנת המיזוג של כוכב הנויטרונים, אז 2018 מוגדרת להיות שנת האופק. עבור כל חובב אסטרופיזיקה, חורים שחורים ויחסות כללית, אנו חיים בעידן הזהב. מה שנחשב בעבר כ"בלתי ניתן לבדיקה "הפך לפתע לממש.

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקוורסנס ועד וורפ דרייב.