החור השחור במרכז שביל החלב שלנו, המדומה כאן, הוא הגדול ביותר שנראה מנקודת מבטו של כדור הארץ. טלסקופ אופק האירועים אמור, השנה, לצאת עם הדימוי הראשון שלו כיצד נראה אופק האירועים המרכזי של החור השחור. העיגול הלבן מייצג את רדיוס שוורצשילד של החור השחור. (קראטה UTE, קבוצת חינוך לפיזיקה קראוס, אוניברסיטת הילדסיים; רקע: AXEL MELLINGER)

פריצת הדרך המדעית של שנת 2019 תראה לנו אופק אירוע של חור שחור

זה יהיה המבחן הקיצוני ביותר ביחסות הכללית של איינשטיין אי פעם. וכבר יש לנו את הנתונים.

עם כל שנה שחולפת, כמות הידע הכוללת שהאנושות צוברת רק הולכת וגדלה. בתחילת 2015 האנושות מעולם לא גילתה גל כבידה; נכון לעכשיו, גילינו 11, ומצפים לחלוטין למצוא אולי מאות נוספים בשנת 2019. בתחילת שנות התשעים לא ידענו אם יש פלנטות מחוץ למערכת השמש שלנו; היום יש לנו אלפים שחלקם כמעט מספיק טובים כדי להיחשב דמויי כדור הארץ.

מצאנו את כל החלקיקים בדגם הסטנדרטי; גילינו שהיקום לא רק מתרחב, אלא מאיץ; קבענו כמה גלקסיות יש ביקום. אבל בשנה הבאה, משהו חדש וחסר תקדים עומד לקרות: אנחנו הולכים לדמיין את אופק האירועים של חור שחור לראשונה. הנתונים כבר ביד; השאר זה רק עניין של זמן.

חורים שחורים הם חפצים קלים למדי לאיתור, ברגע שאתה יודע מה אתה מחפש. זה אולי נראה אינטואיטיבי, מכיוון שהם לא פולטים אור משלהם, אבל יש להם שלוש חתימות בטוחות המאפשרות לנו לדעת שהם שם.

  1. חורים שחורים יוצרים כמות כבידה אדירה - עיוות / עקמומיות של חלל - בנפח חלל קטן מאוד. אם אנו יכולים לראות את השפעות הכבידה של מסה גדולה וקומפקטית, אנו יכולים להסיק את קיומו של חור שחור ולמדוד את המסה שלו.
  2. חורים שחורים משפיעים מאוד על הסביבה הסובבת אותם. בכל עניין בקרבת מקום זה לא רק יחווה כוחות גאות ושפל עזים, אלא יאיץ ויתחמם ויגרום לו לפלוט קרינה מחוץ לאופק האירועים. כאשר אנו מזהים קרינה זו אנו יכולים לשחזר את תכונותיו של האובייקט המניע אותו, אשר לרוב ניתן להסביר רק על ידי חור שחור.
  3. חורים שחורים יכולים להוות השראה ולהתמזג, ולגרום להם לפלוט גלי כבידה ניתנים לזיהוי למשך זמן קצר. ניתן לזהות רק בעזרת המדע החדש של אסטרונומיה של גל הכבידה.
מטוס הרנטגן הרחוק ביותר ביקום, מקוואר GB 1428, הוא באותו מרחק וגיל, כפי שנצפה מכדור הארץ, כקווסר S5 0014 + 81, המאכלס אולי את החור השחור הגדול ביותר הידוע ביקום. נראה כי המפותחות הרחוקות הללו מופעלות על ידי מיזוגים או אינטראקציות כבידה אחרות, אך רק החורים השחורים עם יחסי המסה למרחק הגדולים ביותר הם שיש לטלסקופ Event Horizon סיכוי לפתור. (צילומי רנטגן: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; אופטי: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

אולם טלסקופ אופק האירועים, מטרתו ללכת רחוק יותר מכל אחת מהשיטות הללו. במקום לבצע מדידות המאפשרות לנו להסיק באופן עקיף תכונות של חור שחור, הוא עובר ישר ללב העניין ומתכנן להציג באופן ישיר את אופק האירועים של חור שחור.

השיטה לעשות זאת היא פשוטה ופשוטה, אך לא הייתה אפשרית מבחינה טכנולוגית עד לאחרונה. הסיבה לכך היא שילוב של שני גורמים חשובים שבדרך כלל הולכים יד ביד באסטרונומיה: רזולוציה ואיסוף אור.

מכיוון שחורים שחורים הם חפצים כה קומפקטיים, עלינו לעבור לרזולוציה גבוהה במיוחד. אך מכיוון שאיננו מחפשים לא את האור עצמו, אלא את היעדר האור, עלינו לאסוף כמויות גדולות של אור בזהירות רבה כדי לקבוע היכן באמת נמצא צל אופק האירועים.

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. ('לקראת הוריזון האירועים - החור השחור הסופרמאסיבי במרכז הגלקטיקה', מחלקה. כמות כמותית, פאלקה ומארקוף (2013))

באופן קונבנציונאלי, טלסקופ בעל רזולוציה טובה יותר וטלסקופ בעל כוח איסוף אור טוב יותר אמור להיות אותו טלסקופ. הרזולוציה של הטלסקופ שלך מוגדרת על ידי מספר אורכי גל האור שמתאימים לרוחב צלחת הטלסקופ שלך, ולכן לטלסקופים גדולים יותר יש רזולוציה גבוהה יותר.

באותה מידה, כמות האור שתוכלו לאסוף נקבעת על ידי שטח הטלסקופ שלכם. כל פוטונים שיפגעו בטלסקופ ייאספו, כך שככל שאזור הטלסקופ שלך גדול יותר, יש לך יותר כוח לאיסוף אור.

הסיבה שהטכנולוגיה הייתה גורם מגביל היא הרזולוציה. הגודל שחור שחור נראה הוא פרופורציונלי למסה שלו, אך פרופורציונלית הפוכה למרחקו מאיתנו. כדי לראות את החור השחור הגדול ביותר מנקודת המבט שלנו - קשת A *, זה שבמרכז שביל החלב - דורש טלסקופ בגודל כוכב הלכת כדור הארץ.

שלל כוכבים גדול התגלה ליד החור השחור העל-מסיבי בגרעין שביל החלב. בנוסף לכוכבים הללו ולגז והאבק שאנו מוצאים, אנו צופים שיהיו למעלה מ -10,000 חורים שחורים בתוך כמה שנות אור בלבד של מזל קשת A *, אולם איתורם התגלה כחמקמק עד מוקדם יותר בשנת 2018. פיתרון החור השחור המרכזי היא משימה שרק טלסקופ אופק האירועים יכול לעלות אליה. (ש. סקאי / א. גהז / WM KECK OBSERVATORY / UCLA CENTRE GALACTIC CENTER)

ברור שאין לנו את המשאבים המסוגלים לבנות מכשיר כזה! אבל יש לנו את הדבר הבא הכי טוב: היכולת לבנות מערך טלסקופים. כשיש לך מערך טלסקופים, אתה מקבל רק את כוח איסוף האור של הטלסקופים הבודדים שכולם מסכמים יחד. אבל הרזולוציה, אם היא מתבצעת נכון, תאפשר לכם לראות עצמים בסדר כמו המרווח בין הטלסקופים הרחוקים ביותר.

במילים אחרות, איסוף האור מוגבל באמת על ידי גודל הטלסקופ. אבל הרזולוציה, אם אנו משתמשים בטכניקה של אינטרפרומטריה ארוכת-בסיס (או בן-הדוד שלה, אינטרפרומטריה ארוכת-בסיס), ניתן לשפר במידה ניכרת על ידי שימוש במערך טלסקופים עם כמות גדולה של שטח ביניהם.

מבט לטלסקופים השונים התורמים ליכולות ההדמיה של טלסקופ האירוע מאחת ההמיספרות של כדור הארץ. הנתונים שנלקחו משנת 2011 עד 2017 אמורים לאפשר לנו כעת לבנות תמונה של מזל קשת A *, ואולי גם של החור השחור במרכז M87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

טלסקופ אופק האירועים הוא רשת של 15-20 טלסקופים הנמצאים על פני יבשות רבות ושונות על פני כדור הארץ, מהקוטב הדרומי לאירופה, דרום אמריקה, אפריקה, צפון אמריקה, אוסטרליה ומספר איים באוקיאנוס השקט. בסך הכל, עד 12,000 ק"מ מפריד בין הטלסקופים הרחוקים ביותר שהם חלק מהמערך.

זה מתרגם לרזולוציה קטנה כמו 15 מיקרו-שניות (מיקרו-צלזיוס), וזהו כמה זבוב היה נראה לנו כאן על כדור הארץ אם הוא היה ממוקם 400,000 קילומטרים משם: על הירח.

החור השחור השני בגודלו שנראה מכדור הארץ, זה שבמרכז הגלקסיה M87, מוצג בשלוש תצפיות כאן. למרות מסתו של 6.6 מיליארד השמשות, הוא רחוק פי 2000 ממזל קשת A *. EHT עשוי לפתור את זה או לא, אך אם היקום אדיב, נקבל דימוי, אחרי הכל. (למעלה, אופטי, חלל טלסקופ חלל / נאסא / וויקיסקי; שמאל נמוך יותר, ראדיו, NRAO / מערך גדול מאוד (VLA); ימינה נמוכה יותר, צילומי רנטגן, נאס

יתכן שלא יתרחשו זבובים על הירח, כמובן, אך ישנם חורים שחורים ביקום בגודל זוויתי שהם גדולים מ- 15 מיקרו. ישנם שניים מהם, למעשה: קשת A * במרכז שביל החלב, והחור השחור במרכז M87. החור השחור במרכז M87 נמצא במרחק של 50-60 מיליון שנות אור משם, אך הוא מגיע ליותר מ -6 מיליארד מסות שמש, מה שהופך אותו לגדול פי אלף מהחור השחור הענק של הגלקסיה שלנו.

הטלסקופ של אופק האירועים עובד על ידי צילום מערך עצום זה של טלסקופי רדיו והתבוננות בחורים שחורים אלה בו זמנית, המאפשר לנו לשחזר תמונה ברזולוציה גבוהה במיוחד של כל מה שאנחנו מסתכלים עליו, כל עוד יש מספיק אור שנאסף כדי לראות את זה . תפיסה זו הודגמה לפני כן עם מגוון מצפות תצפית, כמו הטלסקופ הגדול המשקפי, שהצליח לדמיין הרי געש מתפרצים על ירח יופיטר, איו, בעוד שהוא זכה לניגול אחר ירחי יופיטר!

התסיסה של ירח יופיטר, איו, עם הרי הגעש המתפרצים שלה לוקי ופלה, כפי שהסתמכה על ידי אירופה, שנראית בתמונה אינפרא אדום זו. GMT תספק רזולוציה והדמיה משופרים משמעותית. (LBTO)

המפתח ליצירת הטלסקופ של אופק האירועים, אם כן, הוא לוודא שאנו אוספים מספיק אור בכדי לראות את הצל המונח על ידי אופק האירועים של החור השחור, תוך הדמיה בהצלחה של האור שמגיע מסביבו ומאחוריו. חורים שחורים מאיצים את החומר, זכרו, והאצת החלקיקים הטעונים שניהם יוצרים שדות מגנטיים - אם חלקיקים טעונים מאיצים בנוכחות שדות מגנטיים - פליטת קרינה.

ההימור הבטוח ביותר הוא להסתכל בחלק הרדיו של הספקטרום, שהוא החלק בעל האנרגיה הנמוכה ביותר. כל החורים השחורים שמאיצים את החומר צפויים לפלוט גלי רדיו, ואנחנו ראינו אותם גם ממרכז שביל החלב וגם ממרכז M87. ההבדל הוא שברזולוציות החדשות הגבוהות הללו עלינו להיות מסוגלים לאתר את "הריק" היכן שקיים אופק האירועים עצמו.

מערך אטקמה מילימטר גדול / תת-מילימטר, כפי שצולם עם העננים המגלניים מעל הראש. מספר גדול של כלים קרובים זה לזה, כחלק מ- ALMA, מסייע ביצירת תמונות רבות מפורטות ביותר באזורים, בעוד שמספר קטן יותר של כלים מרוחקים יותר מסייע לחדד את הפרטים במיקומים הבהירים ביותר. (ESO / C. MALIN)

המהפכה הטכנולוגית שאמורה לאפשר את בניית התמונות הללו היא ALMA *: מערך המילימטר / תת-מילימטר של אטקמה. רשת מדהימה של 66 טלסקופים רדיו, שכולם עצמם עצומים (ראו לעיל), מודדים את האור באורך הגל הזה כדי לחשוף פרטים אסטרונומיים כמו שלא היו מעולם. ALMA כבר הראתה לנו תמונות של הדיסקים המאובקים סביב כוכבים חדשים שנוצרו, עם עדויות לכוכבי הלכת התינוקות (כפערים דמויי טבעת בדיסק) שמתהווים בפנים. ALMA יכולה לדמיין גלקסיות מרוחקות במיוחד בצורה מעולה ממה שאפילו האבל יכולה לחשוף, ומצאה חתימות גז מולקולריות וסיבובים פנימיים.

אבל אולי המתנה המדעית הגדולה ביותר שלה תהיה כל המידע שהיא אוספת מהאור סביב החורים השחורים העל-מסיביים האלה. רישום מספיק נתונים (וסוגים נכונים של) של נתונים, די מהר ואז להפגיש אותם עם מספיק כוח חישובי כדי לנתח אותם, זה רק עכשיו, לראשונה, אפשרי.

שניים מהדגמים האפשריים שיכולים להתאים בהצלחה לנתוני הטלסקופ Event Horizon עד כה, מוקדם יותר בשנת 2018. שניהם מראים אופק אירועים לא-מרכזי, א-סימטרי, המוגדל מול רדיוס שוורצשילד, בקנה אחד עם תחזיות היחסות הכללית של איינשטיין. טרם פורסמה תמונה מלאה לקהל הרחב. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

אז מה יביא 2019, כאשר כל 27 הפט-בייטים של הנתונים (מכל המצפות המצפות השונות הצופות בחורים השחורים האלה), שנמצאו יחד, מנותחים במלואם? האם אופק האירועים 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,
  • האם פליטות הרדיו נמשכות רחוק משחשבנו,
  • או שמא יש סטיות אחרות מההתנהגות הצפויה.
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. (סימולציות של GRMHD של יכולות שונות של יכולת חשיפה להתרחשות תמונות טלסקופ של הוריזון אירועים של SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

למרות שצוות הטלסקופ Event Horizon זיהה מבנה סביב החור השחור במרכז הגלקסיה שלנו, עדיין אין לנו דימוי ישיר. זה דורש הבנת האווירה שלנו והשינויים שחלים בתוכה, שילוב הנתונים וכתיבת אלגוריתמים חדשים כדי לעבד אותם יחד. זו עבודה שמתבצעת, אבל המחצית הראשונה של 2019 היא כאשר התמונות הראשונות הסופיות צריכות להגיע. חלקנו קיוו לתמונות השנה או אפילו בשנה שעברה, אבל הכי חשוב שניקח את הזמן והדאגה כדי שתתקין.

כשתמונות אלה מגיעות סוף סוף, כבר לא יהיה ספק אם קיימים חורים שחורים, והאם הם קיימים עם התכונות שהתיאוריה הגדולה ביותר של איינשטיין מנבאת. שנת 2019 תהיה שנת אופק האירועים, ולראשונה בכל ההיסטוריה, נדע סוף סוף, באופן סופי, איך הם נראים.

* - גילוי נאות: הכותב יוביל סיור במרחב מוגבל לצ'ילה הכולל ביקור ב- ALMA, מערך הטלסקופ המסייע באיסוף הנתונים לתמונה זו, בנובמבר 2019. (חללים עדיין זמינים.) הוא לא קיבל פיצוי חיצוני עבור היצירה הזו.

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.