החור השחור המדומה ביותר מכולם, כפי שמודגם בסרט הכוכבים הבינלאומיים, מראה אופק אירועים צפוי בצורה מדויקת למדי עבור סוג מסוים מאוד של חורים שחורים מסתובבים. עמוק בתוך באר הכבידה, הזמן עובר בקצב שונה עבור הצופים מאשר אצלנו הרחק מחוצה לו. הטלסקופ של אופק האירועים צפוי לחשוף את הפליטות סביב אופק האירועים של חור שחור, ישירות, לראשונה. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

6 שאלות סופר-מסיביות בערב ההכרזה הגדולה של טלסקופ אופק האירוע

איך צריך להראות חור שחור? התחזיות התיאורטיות שלנו עומדות לעמוד בתצפיות הראשונות שלנו.

במדע, אין רגע מרגש יותר מאשר כשאתה מתמודד עם תחזית תיאורטית ארוכת שנים עם התוצאות התצפיות או הניסוי הראשונות. מוקדם יותר בעשור זה, חשף קנדידר הגדול הגדול את קיומו של בוזון היגס, החלקיק היסודי האחרון שלא נחשף בדגם הסטנדרט. לפני מספר שנים, שיתוף הפעולה של LIGO זיהה ישירות גלי כבידה, אשר אישרו תחזית ארוכת שנים לגבי היחסות הכללית של איינשטיין.

ותוך מספר ימים בלבד, ב -10 באפריל, 2019, טלסקופ Event Horizon יפרסם הודעה צפויה מאוד, שם הם צפויים לשחרר את הדימוי הראשון של אופק האירועים של חור שחור. בתחילת שנות ה- 2010, תצפית כזו הייתה בלתי אפשרית מבחינה טכנולוגית. עם זאת, לא רק אנו עומדים לראות כיצד נראה חור שחור, אלא אנו עומדים לבחון גם כמה מאפיינים בסיסיים של חלל, זמן וכוח כוח.

אם אתה רוצה לדמיין אובייקט כלשהו ביקום, אתה צריך לעמוד בשני האתגרים הבאים:

  1. עליכם לאסוף מספיק אור בכדי לראות את היעד שלכם, ולחשוף את פרטיו כנגד רעשי הרקע של המכשירים שלכם ושל שאר האובייקטים בסביבת מושא העניין שלכם.
  2. אתה צריך רזולוציה מספקת (או פתרון כוח) כדי לחשוף את מבנה האובייקט שאתה מסתכל עליו, אחרת כל הנתונים שלך יוגבלו לפיקסלים בלבד.

כך שאם ברצונכם לדמיין את אופק האירועים של חור שחור, עליכם לאסוף שניהם מספיק אור שהקרינה סביב החור השחור בולטת מול שאר הסביבה, וגם לבחון מאזניים זוויתיים שהם צרים יותר מקוטר האירוע. האופק עצמו.

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. תמונה מלאה טרם פורסמה לקהל הרחב, אך צפויה בעוד מספר ימים בלבד בשנת 2019. (R.-S LU ET AL, APJ 859, 1)

הדרך היחידה שיש לנו לעשות את שני הדברים היא באמצעות מערך עצום ורגיש במיוחד של טלסקופים רדיו הצופים בחורים השחורים הגדולים ביותר, מבחינת גודל זוויתי, הנראים מכדור הארץ. ככל שהחור השחור שלך מאסיבי יותר, כך יהיה קוטר אופק האירועים שלו גדול יותר, אך הוא ייראה קטן יותר תלוי במרחק שלו. המשמעות היא שהחור השחור הגדול ביותר יהיה קשת A *, זה העל-מסיבי במרכז שביל החלב, בעוד שהגדול השני יהיה זה האולטרה-מסיבי במרכז הגלקסיה M87, במרחק של כ- 60 מיליון שנות אור.

בעוד טלסקופי רדיו חד-צלחת עשויים להיות מסוגלים לזהות את הפליטות מאחד מהם - כלומר, יש להם מספיק כוח לאסוף אור - הם לא יכולים לפתור את אופק האירועים. אבל מערך של טלסקופים, כולם צופים ביעד יחד, יכולים להביא אותנו לשם.

מבט לטלסקופים השונים, מאחת ההמיספרות של כדור הארץ, התורם ליכולות ההדמיה של הטלסקופ Event Horizon. הנתונים שנלקחו משנת 2011 עד 2017 (במיוחד בשנת 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)

חורים שחורים צריכים להיות מוקפים בחומר שנמצא בתהליך איטי של נטרף. חומר זה יהיה זרוע על הצד החיצוני של החור השחור, מסתובב, מתחמם ופולט קרינה עם נפילתו. הקרינה צריכה להגיע בחלק הרדיו של הספקטרום, ולהיות ניתן לצפייה למערך טלסקופ מספיק רגיש.

טלסקופ ה- Horizon Event (EHT) הוא בדיוק מערך הרדיו שאנחנו צריכים - עם ההתקדמות המהממת ביותר שמגיעה מהכללת ALMA בדרום אמריקה - לא רק לאסוף את המידע ברדיו, אלא לקבל את הרזולוציה המוגזמת הזו. ה- EHT מורכב מעשרות מנות בודדות עם מספיק כוח איסוף אור משולב בכדי לחשוף את הקרינה המקיפה את החור השחור, כאשר המרחקים בין הכלים מספקים את הרזולוציה הנחוצה כדי לדמיין את אופקי האירועים המדוברים עצמם.

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. הוספת ALMA לטלסקופ אופק האירועים היא זו שמאפשרת בניית תמונה של אופק האירועים. (ESO / C. MALIN)

השתמשנו בטכניקה זו בעבר, של אינטרפרומטריה ארוכת-בסיס, כדי לחשוף פרטים שיהיו בלתי נראים אפילו עם טלסקופ ענק יחיד. כל עוד התכונות שאתה מנסה לצפות בהירות מספיק ומופיעות בטלסקופים שאתה משתמש בהן כדי לצלם את התצפיות בו זמנית, תוכל להשיג רזולוציות הדמיה המתאימות למרחק בין הטלסקופים, ולא לקוטר של הטלסקופים האישיים עצמם.

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)

באופן המרהיב ביותר, מערכי טלסקופ שימשו עד כה לדימוי מתפרץ של הרי געש על פני ירח יופיטר Io, אפילו ברגע בו נופל בצלו של ירחים אחרים של צדק.

ה- EHT משתמש באותה מושג בדיוק כדי לבדוק את הקרינה שמגיעה מסביב לחורים השחורים עם הקוטרים הזוויתיים הגדולים ביותר כפי שניתן לראות מכדור הארץ. להלן ששת הדברים שעומדים לרשותנו כאשר יוצאים תמונות אי פעם.

החור השחור במרכז שביל החלב שלנו, המדומה כאן, הוא הגדול ביותר שנראה מנקודת מבטו של כדור הארץ. הטלסקופ של אופק האירועים אמור, ב- 10 באפריל, 2019 לצאת עם הדימוי הראשון שלו כיצד נראה אופק האירועים המרכזי של החור השחור הזה, ואילו זה שנמצא במרכז M87, השני בגודלו, עשוי להיראות גם עם טכנולוגיה זו. . העיגול הלבן מייצג את רדיוס שוורצשילד של החור השחור, ואילו האזור הכהה צריך להיות נטול פליטה בגלל חוסר היציבות של מסלוליו סביבו. (קראטה UTE, קבוצת חינוך לפיזיקה קראוס, אוניברסיטת הילדסיים; רקע: AXEL MELLINGER)

1.) האם יש לחורים שחורים בגדלים הנכונים שמערכת היחסים הכללית חוזה? על פי התיאוריה של איינשטיין, בהתבסס על מסת הכבידה המדודה של החור השחור במרכז שביל החלב, אופק האירועים עצמו צריך להיות בקוטר של 11 מיקרו-קשת (מיקרו-שניות), אך לא אמורים להיות פליטות המגיעות בין 37 מיקרו-שניות בגלל העובדה שבתוך אותו קוטר זוויתי, החומר צריך להסתובב במהירות לכיוון הייחודיות. עם רזולוציה של 15 מיקרו שעה, ה- EHT אמור להיות מסוגל לראות אופק ולמדוד אם הגודל תואם את התחזיות שלנו או לא. זה יהיה מבחן מדהים של היחסות הכללית.

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))

2.) האם דיסקי ההקרדה מיושרים עם החור השחור, הגלקסיה המארחת, או באופן אקראי? מעולם לא ראינו דיסק דיסקרטציה לפני כן, ולמעשה האינדיקציה האמיתית היחידה שיש לנו לגבי כיוון העניין המקיף חורים שחורים מגיעה מהמקרים שבהם:

  • יש מטוס שנפלט שאנחנו יכולים לזהות מהחור השחור,
  • או שיש פליטה מורחבת שמגיעה מהסביבה.

אך אף אחת מאותן תצפיות אינן מהוות תחליף למדידה ישירה. ה- EHT, כשתמונות ראשונות אלה יוצאות, אמור להיות מסוגל לומר לנו אם דיסק ההקרדה הוא קצה-על, פנים אל פנים, או בכל כיוון אחר.

כמה מסימני הפרופיל האפשריים של אופק האירועים של החור השחור כפי שמראים סימולציות של טלסקופ אופק האירועים. (רזולוציה גבוהה-משולשת ומדעי רגישות גבוהה המאפשרים על ידי אלמא מעוצב, V. FISH ET AL., ARXIV: 1309.3519)

3.) האם אופק האירועים של החור השחור עגול, כפי שחזה, או שהוא מקבל צורה אחרת? למרות שצפויים להסתובב כל החורים השחורים השחורים הפיזיים המציאותיים במידה מסוימת, צפו של אופק האירוע ניתנים להבדלה מזו של הכדור המושלם.

אבל צורות אחרות אפשריות. חלק מהעצמים מתנפחים לאורך קו המשווה שלהם כשהם מסתובבים ויוצרים צורה המכונה ספירודיד מוחלט, כמו כדור הארץ. אחרים מתגנבים לאורך צירי הסיבוב שלהם, והתוצאה היא צורת דמוי כדורגל המכונה ספירואיד פרולט. אם היחסות הכללית נכונה, תחום זה מה שאנחנו צופים, אך אין תחליף לערוך את התצפיות הביקורתיות בעצמנו. כאשר התמונות יוצאות ב- 10 באפריל, עלינו לקבל את התשובות שלנו.

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, אך גם כיצד הם עשויים להופיע באופן שונה בפירוט, תלוי בסערה, בעוצמת שדה מגנטי וכו '(סימולציות GRMHD של יכולת לחשוף את יכולת ההגבלה של אירוע הוריזון טלסקופיה של SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

4.) מדוע חורים שחורים מתלקחים? כאשר חור שחור במצב לא מתלקח, ישנם חתימות ספציפיות שאנו צופים שיופיעו סביב אופק האירועים. אבל אז, כאשר חור שחור מתלקח, ישנם תכונות שונות שהקרינה סביבו תציג.

אבל איך ייראו פליטות אלה? האם יהיו תכונות סוערות שיופיעו בדיסק בכל עת? האם יהיו "נקודות חמות", כצפוי, הנראות ביותר במצב הבהוב? אם יתמזל מזלנו ונראה את אחת החתימות הללו, אנו עשויים להיות בדרך ללמוד מדוע חורים שחורים מתלקחים, פשוט על ידי התבוננות בפליטות הרדיו המורחבות הסובבות אותם. עלינו ללמוד, על סמך תצפיות אלה, מידע נוסף על חוזק השדות המגנטיים המקיפים את החורים השחורים הללו.

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 לא רק תמונה, אלא נלמד האם פליטת הרנטגן מספקת לנו הערכות המוניות מדויקות לחורים שחורים או לא. (למעלה, אופטי, חלל טלסקופ חלל / נאסא / וויקיסקי; שמאל נמוך יותר, ראדיו, NRAO / מערך גדול מאוד (VLA); ימינה נמוכה יותר, צילומי רנטגן, נאס

5.) האם הערכות הרנטגן לגבי מסה של חור שחור מוטות כלפי ערכים נמוכים יותר? יש כרגע שתי דרכים להסיק את המסה של חור שחור: ממדידת השפעות הכבידה שלו על כוכבים (וחפצים אחרים) שמקיפים אותו, ומפליטת (הרנטגן) של הגז שמקיף אותו. אנו יכולים לבצע בקלות את המדידות מבוססות הגז עבור מרבית החורים השחורים, כולל זו שבמרכז שביל החלב, המספקת לנו מסה של כ -2.5-2.7 מיליון מסות שמש.

אך מדידת הכבידה היא הרבה יותר ישירה, למרות היותה אתגר תצפיתי גדול יותר. ובכל זאת, עשינו זאת בגלקסיה שלנו, והסקנו מסה של כ -4 מיליון מסות שמש: גבוה בכ- 50% ממה שמצביע על הרנטגן. אנו מצפים לחלוטין שזה יהיה גודל האופק שאנו מודדים. אם המדידות של M87 מראות ערך גבוה יותר ממה שמצביע על פליטת הרנטגן, נוכל ללמוד שאומדני הרנטגן נמוכים באופן שיטתי, ומראים לנו שיש אסטרופיזיקה חדשה (אך לא פיזיקה בסיסית חדשה).

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 התברר כחמקמק עד מוקדם יותר בשנת 2018. פיתרון החור השחור המרכזי היא משימה שרק טלסקופ Event Horizon יכול לעלות אליה, וייתכן שהיא עדיין תגלה את תנועתה לאורך זמן. (ש. סקאי / א. גהז / WM KECK המסתמן / קבוצת המרכז הגלקטית UCLA)

6.) האם אנו יכולים לראות את החור השחור "מרטיט" לאורך זמן, כפי שחזוי? יתכן ואחד זה לא ייצא מייד, במיוחד אם כל מה שנקבל מהתצפיות הראשוניות הללו הוא תמונה יחידה של חורים שחורים אחד או שניים. אבל אחת המטרות המדעיות של ה- EHT היא לראות כיצד חורים שחורים מתפתחים עם הזמן, כלומר הם מתכננים לצלם תמונות מרובות בזמנים שונים ולשחזר סרט של החורים השחורים הללו.

בגלל נוכחותם של כוכבים והמונים אחרים, המיקום לכאורה של החור השחור ישתנה משמעותית לאורך זמן, כשהוא נדחף סביב הכבידה. למרות שסביר להניח שייקח שנים לראות מהלך חור שחור בכמות ניכרת, יש לנו נתונים שנלקחו במשך זמן רב. במרכז הגלקסיות עלולים החורים השחורים המצולמים ב- EHT להתחיל להציג סימנים לריצוד זה: המקבילה הקוסמית לתנועה בראונית.

החור השחור העל-מסיבי במרכז הגלקסיה שלנו, מזל קשת A *, מתבהר בצילומי רנטגן בכל פעם שהחומר נטרף. באורכי גל אחרים של אור, מאינפרא אדום לרדיו, אנו יכולים לראות את הכוכבים הבודדים בחלק הפנימי ביותר של הגלקסיה. (צילומי רנטגן: NASA / UMASS / D.WANG ET AL., IR: NASA / STSCI)

התצפיות הקריטיות על יצירת התמונה הראשונה של חור שחור, בהנחה שה- EHT מפרסם את אחד החורים השחורים במרכז שביל החלב, צולמו כבר בשנת 2017: לפני שנתיים מלאות. נדרש זמן רב כדי לנתח, לנקות, לחתוך, להתאים ולסנתז את חבילת הנתונים המלאה, שמשווה לכ 27- פט-בייט לצורך התבוננות ביקורתית. (למרות שרק כ -15% מנתונים אלה רלוונטיים ושימושיים לבניית תמונה.)

בשעה 9:00 שעון מזרח (6 בבוקר השקט הפסיפי) ב- 10 באפריל, שיתוף הפעולה של EHT יקיים מסיבת עיתונאים בה הם צפויים לשחרר את התמונה הראשונה של אופק אירועים, וייתכן שרבים - או אולי אפילו כולם - של שאלות אלה יענו. יהיו התוצאות אשר תהיינה, זהו צעד מונומנטלי קדימה לפיזיקה ואסטרופיזיקה, ומבקש עידן חדש של מדע: בדיקות ישירות ותמונות של אופק האירועים של חור שחור עצמו!

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.