Astronomi krožijo do roba črne luknje Mlečne ceste


Za prvo znanstveniki so opazili nekaj, kar se je vrtelo okoli črne luknje v jedru naše galaksije. Njihove meritve kažejo, da se te stvari, morda narejene iz blobs plazme, vrtijo nedaleč od najvišje orbite, ki jo dovoljujejo zakoni fizike. Če je tako, to omogoča astronomom najtesnejši videz še v prostorih, ki jih zaznavajo prostor, ki obkroža črno luknjo. In sčasoma bodo dodatne ugotovitve pokazale, ali ti znani zakoni fizike resnično opisujejo, kaj se dogaja na robu prostora, kjer se prostorski čas razbije.

Revija Quanta


fotografija avtorja

O podjetju

Prvotna zgodba, ki jo je prejel z dovoljenjem revije Quanta, uredniško neodvisna publikacija fundacije Simons, katere poslanstvo je izboljšati razumevanje znanosti s področja javnega obveščanja tako, da pokriva raziskovalne dosežke in trende v matematiki ter fizikalnih in življenjskih znanostih.

Astronomi so že vedeli, da je na Mlečni poti gostilna osrednja črna luknja, ki tehta okrog štiri milijone sonca. Od Zemlje je ta črna luknja gosta, majhna stvar v konstelacijskem Strelcu, le toliko kot na nebu kot semena jagod v Los Angelesu, gledano iz New Yorka. Toda medzvezdni plin sveti, ko se vrti v črno luknjo, ki označuje temno srce galaksije z eno, malo svetlobo v infrardeči svetlobi v astronomskih slikah. Astronomi ga imenujemo Strelec A * (izgovarjal se je »A-zvezda«).

Raziskovalci so že 15 let opazovali to točko in se spraševali, zakaj. Občasno se z infrardečo svetlobo 30-krat svetlejša in se nato v nekaj minutah zniža. Čeprav je ekipa, ki je bila ustanovljena na Inštitutu za zunanjo fiziko Max Planck v Nemčiji v Garchingu, merila ne samo s svetlostjo tega žarka, temveč tudi z njenim položajem s čudovito natančnostjo. Ko se vžge, se premakne tudi v smeri urinega kazalca na nebu, izsledi pa majhen krog, ki ga najdejo.

"Videli so nekaj, kar se giblje," je dejal Shep Doeleman, astronom v Harvard-Smithsonian Centru za astrofiziko, ki ni sodeloval v tem, kar imenuje ekstremne meritve ekipe, ki so bili objavljeni ta teden Astronomija in astrofizika. "Kaj je, ni ravno jasno."

Toda ena posebna razlaga izstopa, trdi skupina. Ta poteza verjetno prihaja iz "vročih točk", žareče plasti magnetno ogrevane plazme, ki kroži okoli črne luknje, ki se vrti čez skoraj tretjino hitrosti svetlobe. Ker te vroče točke krožijo, so črne luknje neizmerne gravitacijske sile preobrat v vesolje v nekaj, kot je leča, tista, ki utripa svetilnike svetlobe po vesolju, kot je galaktični žaromet. Ideja, ki jo je leta 2005 predlagala Avery Broderick, zdaj na Inštitutu za teoretično fiziko v Perimeteru in Univerzi Waterloo v Kanadi, in Avi Loeb z Univerze Harvard, bi pojasnila, zakaj se zdi, da se črna luknja vnetja.

"Zdi se, da imajo tukaj nekaj resnično zanimivega," je dodal astronomer Andrea Ghez, dolgoletni tekmovalec evropske ekipe na Kalifornijski univerzi v Los Angelesu.

Če so ti vrtljivi vžigovi zaradi vročih točk, kot so si Broderick in Loeb zamišljali, bodo dodatni izbori pomagali razkriti "spin" črne luknje, merilo njegove rotacije. Prav tako bi lahko zagotovil nov način, da bi pokončali in prodirali Einsteinovo teorijo splošne relativnosti v upognjenem prostorskem času pri ustju črne luknje.

"Če se občasno držim prav, sem se v vseh drugih časih, ko sem opraskal glavo na tablo," je dejal Broderick. "To je tisto, kar naredi biti znanstvenik toliko zabavno."

Svetlobo iz štirih teleskopov na zelo velikem teleskopskem nizu v Cerro Paranalu, Čile, se lahko združijo, da ustvarjajo en sam, ogromen teleskop.

ESO

Gravitacijski žarek

Od devetdesetih let 20. stoletja skupina Ghez v UCLA in evropska ekipa, ki jo vodi Reinhard Genzel iz Instituta za zunanjo fiziko Max Planck v Nemčiji, je uporabljala doslednejše tehnike za reševanje zvezdnih zvezd v galaktičnem središču. Pred tem poletjem je Genzelova ekipa objavila merilo, kako splošna relativnost vpliva na svetlobo zvezdice, ki je zdaj blizu črne luknje; podoben članek skupine Ghez je zdaj v pregledu. "To je izjemen trenutek, v smislu sposobnosti teh eksperimentov, da začnete preizkušati, kako gravitacija deluje blizu supermasivne črne luknje", je dejal Ghez.

Toda od lanskega leta je imela evropska ekipa edinstveno orodje – moč štirih velikanskih teleskopov, ki sodelujejo v projektu GRAVITY. Na tipični večer je Evropski južni observatorij štirih 8-metrskih teleskopov na Cerro Paranalu, s pogledom na čilsko Atacama puščavo, loll v različnih smereh na nebu. GRAVITY jih potegne skupaj z uporabo tehnike, imenovane interferometrija, ki združuje opazovanja iz več teleskopov, da bi ustvarila umetne slike, ki bi jih lahko naredil le nezanesljiv velik resnični teleskop.

Če želite to narediti v infrardečih valovnih dolžinah – blizu tistim, kar lahko zaznavajo človeške oči – zahteva, da se svetloba v realnem času prilega, da bi se izognili izgubi ključnih informacij. Torej, 22. julija, ko je Sagittarius A * razgaljena, je svetloba, ki jo je zbrala vsak obseg, potekala skozi Rube Goldberg podobno nastavitev ogledal in kablov iz optičnih vlaken, ki so izsledili pot s skupno dolžino, ki se spreminja ne več kot 1/1000. širino las, je povedal Frank Eisenhauer, fizik v Max Plancku v Garchingu in vodja podjetja GRAVITY. Nato so v notranjosti 3-tonskega zamrzovalnega orodja optične tehnologije mešali te svetlobne valove, njihovi vrhovi in ​​korita pa združili in preklicali, da bi izdelali meritve položaja z nemogočo hrustljavo.

Že po vsem tem GRAVITY še vedno ni imel dovolj visoke ločljivosti, da bi posneli filme treh bakel, ki jih je videl – tistega, ki je bil 22. julija in še dva. Ampak njene meritve svetlečih pik, ki se prepletajo na nebo, obljubljajo, da zožijo različne možnosti tega, kar povzroča Strelca A *, da prepleta.

Če bi jih lahko videl blizu, so lahko bakrene plasti vroče plazme, ki so jih iztisnile iz črne luknje, v curke materiala, usmerjene in oddaljene z magnetnimi polji. Ali pa bi se lahko v širokem frizbeju odvajale plina v črno luknjo ali druge možne diskovne strukture, kot so spiralne roke. V vseh teh primerih bi prižganje in zatemnitev svetlobe prišlo iz samega materiala, ki se je vročal, nato pa se ohladi.

Broderickova in Loebova zamisel je vključevala tudi plazemske blobove, ki jih je segrela toplota. Oblikovali bi se blizu črne luknje, ne pa v nasprotju s tem, kar se dogaja v sončnem požaru. Nad površjem našega sonca se briparasti del magnetnih polj zdrsne, pri čemer se polja segrevajo v nove oblike. Nekaj ​​podobnega bi se lahko zgodilo v plinu neposredno okoli črne luknje, v kateri so tudi močna, zapletena magnetna polja.

V tem primeru pa modulacija v svetlosti ne bi prišla iz blobne sile, temveč iz blatne orbite. Ko je v robu velikanske črne luknje zasukal ves čas, ki ga je predvidel splošna relativnost, bi se svetloba vroče točke usmerila v žarek. In ko je ta žarek prešel čez Zemljo, smo merili črno luknjo. "Črna luknja je kot ta svetilka, ki povzroča, da ta stvar utripa pri nas, ko gre okoli," pravi Broderick.

Če je curki povzročil utripanje črne luknje, bi bilo gibanje linearno, saj so blobi potovali navzven in se ohladili, je dejal Eisenhauer. Če so odgovorili na gruče na disku okoli črne luknje, gibanje ne bi bilo v nobeni konkretni smeri. Toda krožno gibanje podpira krožeče vroče točke, trdi skupina.

"Obstaja eno posebno dejstvo, zaradi katerega se sklonim zaupati temu rezultatu," je povedal astrofizičar Gunther Witzel iz Inštituta za radio astronomijo Max Planck v Bonnu, ki je delal z galaktičnimi središči na obeh straneh Atlantika. GRAVITY je tudi ugotovil, da se svetloba, ki se oddaja med bokom, premakne v polarizacijo po istem grobem časovnem obdobju kot navidezni orbitalni gibi. Tudi to se prilega. Svetloba, ki jo oddaja vroča točka, bi bila polarizirana. Ko je spot popeljal skozi napačen prostor-čas, se je njegova polarizacija vrtela po svoji orbiti.

Za astrofizike je ta pogled v plazmi v posebnih okoliščinah zanimiv sam po sebi. "Imamo povsem novo okolje, kar je povsem neznano," je povedal Nico Hamaus, kozmolog na univerzi Ludwig Maximilian v Münchnu, ki je prav tako razvil teorijo zgodnjih vročih točk. "Zato so bile takšne nejasne ideje o tem, kaj se dogaja."

Zdaj pa teoretiki upajo, da bodo vroče točke lahko sijale žareč svetilko zaslišanja na Einsteinovi teoriji teže same.

Branje obzorja

Razmislite o potovanju v črno luknjo. Ko se približujete, ljudski računi pravijo, da imate zadnjo priložnost, da se obrnete nazaj – dogodek, ki označuje rob črne luknje. Toda morda bi bilo bolje razmisliti o vašem pristopu prej, pri čemer astrofiziki imenujejo najglobljo stabilno krožno orbito (ISCO). Vroče točke okrog črne luknje v središču galaksije se zdijo, da so le malo izven te meje.

Da obstaja takšna orbita, je bistvena razlika med Newtonovo in Einsteinovo teorijo teže. V Newtonovi gravitaciji lahko orožje približate tako, kot želite, pod pogojem, da povečujete svojo hitrost. Toda po Einsteinovem mnenju rotacijska energija poziva več gravitacije. Na določeni razdalji, hitreje bo samo pospešilo vaš padec. "Če je črna luknja odtok, kjer stvari izginejo," je rekel Loeb na Harvardu, "ta najbolj notranja krožna orbita je neke vrste umivalnik."

Reinhard Genzel, astrofizik s sedežem na Max Planck inštitutu za zunanjo fiziko v Garchingu v Nemčiji, uporablja štiri teleskope v zelo velikem teleskopu, da bi preučil območje okoli črne luknje v središču Mlečne ceste.

Max Plank Inštitut za fiziko

Loebu, svetlobni vir, ki pluje okoli tega usodnega platišča, je dar materine narave. Masa črne luknje in njegova hitrost vrtenja določata, kje je ISCO, in koliko časa bo v danem polmeru orbita vroča točka. Po masi in vrtenju velja splošna relativnost, da nič drugega ne določa, kako je predmet orbita astrofizična črna luknja. Te dve vrednosti bi morale biti edine značilne značilnosti.

Ghez in Genzel sta že določili težo te črne luknje. In medtem ko še ne morejo izračunati svojega vrtenja, bi se morale poznejše vžigalice, zlasti svetlejše, pomagati.

Črna luknja vrti prostor okoli njega in spremeni, kako dolgo bo v bližino predmetov v orbito. Ker GRAVITY izdeluje katalog vžigalnikov in sonde, kako dolgo trajajo v orbito na različnih polmerih okoli črne luknje, bodo lahko sklepali, kaj je vrtenje črne luknje.

Seveda je to domneva, da je splošna relativnost pravilna in da so orbite objektov okoli črne luknje določene samo z maso črne luknje in vrtenjem. Če se zdi, da se dogaja nekaj drugega, da obstaja še kakšen drug dejavnik, ki vpliva na te orbite, bi to lahko nakazalo, da Einsteinova teorija potrebuje tune.

V preteklosti je "na obzorju še bolj vznemirljiva priložnost," je dejal Broderick. "Če boste odpustili punco."

Naslednje obzorje – dokaj dobesedno – bi moralo priti iz teleskopa Event Horizon, ali EHT, ločenega napora, ki se zdaj trudi rešiti prostor-čas v središču črne luknje Milky Way. Ekipa EHT trenutno razkriva svoje podatke, z upanjem, da bo v določenem trenutku objavila leta 2019, pravijo.

EHT prav tako krepi nenadno oster vid skozi interferometrijo. Toda deluje v radijskih valovnih dolžinah, kar je tisočkrat daljša od sledi GRAVITY iz infrardečih emisij. In njene sestavne opazovalnice segajo po celem svetu, ne le v gore v Čilu. Ko se zemlja vrti, ti observatoriji pometajo po vesolju in zbirajo še več informacij.

Medtem ko je GRAVITY izmeril položaj črne luknje z neverjetno natančnostjo vsakih 30 sekund med baklami, EHT si prizadeva za nekaj drugačnega: dolg osvetlitev slike radijskih valov, ki se pojavljajo znotraj ISCO-ja, tik ob robu črne luknje.

Ampak vroče spotike, ki jih je našel GRAVITY, ponujajo novo priložnost. "Če se ti dogodki zgodijo precej pogosto in izgleda, da to počnejo, to je odlična novica za vse," je dejal Doeleman na Harvardu, ki usmerja EHT.

"Lahko bi testirali isto stvar, samo na zelo komplementaren način, z različnimi instrumenti," je dejal Doeleman. "To je res, kaj znanost je vse."

Prvotna zgodba, ki jo je prejel z dovoljenjem revije Quanta, uredniško neodvisna publikacija fundacije Simons, katere poslanstvo je izboljšati razumevanje znanosti s področja javnega obveščanja tako, da pokriva raziskovalne dosežke in trende v matematiki ter fizikalnih in življenjskih znanostih.


Več velikih WIRED zgodbe