Idén om svarta hål går tillbaka till 1783, då Cambridge-forskaren John Michell insåg att ett tillräckligt massivt objekt i ett tillräckligt litet utrymme kunde locka till och med ljus utan att låta det fly. Mer än ett sekel senare hittade Karl Schwarzschild en exakt lösning på Einsteins allmänna relativitetsteori, som förutspådde samma resultat: ett svart hål. Både Michell och Schwarzschild förutspådde en tydlig koppling mellan händelseshorisonten, eller radien i området från vilket ljus inte kan fly, och det svarta hålets massa.
Under 103 år efter Schwarzschilds förutsägelse kunde det inte verifieras. Och först den 10 april 2019 avslöjade forskare det första fotografiet någonsin av evenemangshorisonten. Einsteins teori fungerade igen, som den alltid gjorde.
Även om vi redan visste en hel del om svarta hål, ändrades och klargjorde det mycket innan evenemangets första ögonblicksbild. Vi hade många frågor som nu har svar.
Den 10 april 2019 presenterade Event Horizon Telescope-samarbetet den första framgångsrika ögonblicksbilden av evenemangshorisonten för svarthål. Detta svarta hål ligger i Messier 87: den största och massivaste galaxen i vår lokala supercluster av galaxer. Vinkeldiametern för händelseshorisonten var 42 mikrobågsekunder. Detta innebär att det tar 23 fyrhjärta svarta hål av samma storlek för att täcka hela himlen.
På 55 miljoner ljusår bort är det svarta hålets uppskattade massa 6,5 miljarder gånger solens. Fysiskt motsvarar detta en storlek större än storleken på Plutos omloppsbana runt solen. Om det inte fanns något svart hål, skulle det ta ljus ungefär en dag att passera genom händelseshorisontens diameter. Och bara för att:
- händelsehorisontteleskopet har tillräckligt med upplösning för att se detta svarta hål
- svart hål avger starkt radiovågor
- väldigt lite radiovågor i bakgrunden för att störa signalen
vi kunde få detta första skott. Från vilken vi nu har lärt oss tio djupa lektioner.
Kampanjvideo:
Vi lärde oss hur ett svart hål ser ut. Vad kommer härnäst?
Detta är verkligen ett svart hål, som förutses av allmän relativitet. Om du någonsin har sett en artikel med titeln "teoretiker säger i fet stil att svarta hål inte finns" eller "denna nya teori om tyngdkraften skulle kunna vända Einstein," antar du att fysiker inte har några problem med att hitta alternativa teorier. Trots att den allmänna relativiteten har klarat alla de test vi lägger upp den, har fysiker ingen brist på förlängningar, ersättningar eller möjliga alternativ.
Och att observera ett svart hål utesluter ett stort antal av dem. Vi vet nu att det här är ett svart hål, inte ett maskhål. Vi vet att händelseshorisonten existerar och att detta inte är en naken singularitet. Vi vet att händelseshorisonten inte är en fast yta, eftersom det fallande materialet måste ge av sig en infraröd signatur. Och alla dessa observationer överensstämmer med allmän relativitet.
Emellertid säger denna observation ingenting om mörk materia, de mest modifierade teorierna om tyngdkraft, kvanttyngd eller vad som ligger bakom händelseshorisonten. Dessa idéer ligger utanför EHT: s observationer.
Stjärnens gravitationsdynamik ger bra uppskattningar för massorna av ett svart hål; gasobservation - nej. Innan den första bilden av ett svart hål hade vi flera olika sätt att mäta massorna av svarta hål.
Vi kunde antingen använda mätningar av stjärnor - som de individuella banor av stjärnor nära ett svart hål i vår egen galax, eller absorptionslinjer av stjärnor i M87 - som gav oss gravitationsmassa, eller utsläpp från gas som rör sig runt det centrala svarta hålet.
För både vår galax och M87 var dessa två uppskattningar mycket olika: gravitationsuppskattningar var 50-90% högre än gasformiga. För M87 visade gasmätningar att det svarta hålet hade 3,5 miljarder solar och gravitationsmätningarna var närmare 6,2 - 6,6 miljarder. Men EHT-resultaten visade att det svarta hålet har 6,5 miljarder solmassor, vilket betyder, gravitationsdynamik är en utmärkt indikator på svarthålsmassor, men gasens slutsatser skiftar mot lägre värden. Detta är ett utmärkt tillfälle att gå igenom våra astrofysiska antaganden om omloppsgas.
Det borde vara ett snurrande svart hål, och dess rotationsaxel pekar bort från jorden. Genom observationer av händelseshorisonten, radioutsläpp runt den, en storskalig jet och utökade radioutsläpp uppmätta av andra observatorier har EHT fastställt att det är ett Kerr svart hål (roterande), inte ett Schwarzschild svart hål (inte roterande).
Det finns inte ett enda enkelt drag i ett svart hål som vi kan studera för att bestämma denna natur. Istället måste vi bygga modeller av själva det svarta hålet och saken utanför det och sedan utveckla dem för att förstå vad som händer. När du letar efter möjliga signaler som kan uppstå får du möjlighet att begränsa dem så att de överensstämmer med dina resultat. Detta svarta hål bör rotera, och rotationsaxeln pekar från jorden på cirka 17 grader.
Vi kunde äntligen fastställa att det finns material runt det svarta hålet, motsvarande ackretionsskivor och bäckar. Vi visste redan att M87 hade en jet - från optiska observationer - och att den också sände ut i radio- och röntgenområdet. Denna typ av strålning kan inte endast erhållas från stjärnor eller fotoner: du behöver materia, liksom elektroner. Endast genom att accelerera elektroner i ett magnetfält kan vi få den karakteristiska radioemissionen som vi såg: synkrotronstrålning.
Och det krävde också otroligt mycket modelleringsarbete. Genom att justera alla möjliga parametrar för alla möjliga modeller kommer du att lära dig att dessa observationer inte bara kräver ackretionsströmmar för att förklara radioresultaten, utan också nödvändigtvis förutsäga icke-radiovågresultat - som röntgenstrålar. De viktigaste observationerna gjordes inte bara av EHT, utan också av andra observatorier som Chandra röntgendeleskop. Accretionsflödena bör värmas, vilket framgår av spektrumet av M87s magnetiska utsläpp, i enlighet med relativistiska accelererande elektroner i ett magnetfält.
Den synliga ringen visar tyngdkraften och gravitationslinsen runt det centrala svarta hålet; och igen testades den allmänna relativiteten. Denna ring i radioområdet motsvarar inte själva händelseshorisonten och motsvarar inte ringen för roterande partiklar. Och det är inte heller den mest stabila cirkulära banan i ett svart hål. Nej, den här ringen uppstår från en sfär av gravitationslinsade fotoner vars stigar böjs av det svarta hålets allvar på väg mot våra ögon.
Detta ljus böjs in i en större sfär än man kan förvänta sig om tyngdkraften inte var lika stark. Som Event Horizon Telescope Collaboration skriver:
"Vi fann att mer än 50% av det totala flödet i bågsekunder passerar nära horisonten och att denna strålning undertrycks kraftigt när den kommer in i detta område, med en faktor 10, vilket är ett direkt bevis på den förutsagda svarthålskuggan."
Einsteins allmänna relativitetsteori visade sig återigen vara korrekt.
Svarta hål är dynamiska fenomen, deras strålning förändras över tid. Med en massa av 6,5 miljarder solar kommer det att ta ljus ungefär en dag för att korsa det svarta hålets händelseshorisont. Detta ger ungefär den tidsram som vi kan förvänta oss att se förändringar och fluktuationer i utsläpp som observerats av EHT.
Till och med observationer som varade i flera dagar tillät oss att bekräfta att strukturen för den utsända strålningen förändras över tiden, som förutsagt. 2017-uppgifterna innehåller fyra nätter med observationer. Även om du tittar på dessa fyra bilder kan du visuellt se att de första två har liknande funktioner och de två sista också, men det finns betydande skillnader mellan den första och den sista. Med andra ord förändras strålningens egenskaper runt ett svart hål i M87 över tiden.
EHT kommer i framtiden att avslöja det fysiska ursprunget till svarthålssprängningar. Vi har sett, både i röntgen- och radioband, att ett svart hål i mitten av vår egen mjölkväg avger korta utbrott av strålning. Även om den allra första svarta hålbilden som presenterades visade ett supermassivt objekt i M87, kommer det svarta hålet i vår galax - Skytten A * - att vara lika stort och bara förändras snabbare.
Jämfört med massan av M87 - 6,5 miljarder solmassor kommer Skyttens A * -massa endast att vara 4 miljoner solmassor: 0,06% av den första. Detta innebär att fluktuationer inte längre kommer att observeras under dagen utan inom en minut. Funktionerna i det svarta hålet kommer att förändras snabbt, och när ett utbrott inträffar kan vi avslöja dess natur.
Hur är flänsarna relaterade till temperaturen och ljusstyrkan i radiobilden vi såg? Finns det magnetisk återanslutning, som i vår sols utsprång av koronalmassa? Brister det något i ackretionsströmmarna? Skytten A * blinkar dagligen, så vi kommer att kunna associera alla nödvändiga signaler med dessa händelser. Om våra modeller och observationer är lika bra som de var för M87, kanske vi kan avgöra vad som driver dessa händelser och kanske till och med veta vad som faller in i det svarta hålet som skapar dem.
Polarisationsdata kommer att dyka upp som avslöjar om svarta hål har sitt eget magnetfält. Medan vi alla definitivt var glada över att se den första ögonblicksbilden av ett svart håls händelseshorisont, är det viktigt att förstå att en helt unik bild snart kommer att dyka upp: polarisationen av ljus som kommer från ett svart hål. På grund av ljusets elektromagnetiska natur kommer dess interaktion med magnetfältet att intrycka en viss polarisationssignatur på det, vilket gör att vi kan rekonstruera det svarta hålets magnetfält, såväl som hur det förändras över tid.
Vi vet att materia utanför händelseshorisonten, som väsentligen rör sig laddade partiklar (som elektroner), genererar sitt eget magnetfält. Modeller indikerar att fältlinjer antingen kan förbli i ackretionsströmmar eller passera genom händelseshorisonten och bilda ett slags "ankare" i det svarta hålet. Det finns en koppling mellan dessa magnetfält, ackretion och tillväxt av svart hål och strålar. Utan dessa fält skulle materia i ackretionsflöden inte kunna förlora vinkelmomentet och falla in i händelseshorisonten.
Polarisationsdata, tack vare kraften i polarimetrisk avbildning, kommer att berätta om detta. Vi har redan data: det återstår att utföra en fullständig analys.
Event Horizon Telescope-förbättringen kommer att avslöja närvaron av andra svarta hål nära galaktiska centra. När en planet kretsar kring solen beror det inte bara på att solen har en gravitationseffekt på planeten. Det finns alltid en lika och motsatt reaktion: planeten påverkar solen. På samma sätt, när ett föremål kretsar runt ett svart hål, utövar det också gravitationstryck på det svarta hålet. I närvaro av en hel uppsättning massor nära galaxcentrumen - och i teorin, många osynliga svarta hål hittills - bör det centrala svarta hålet bokstavligen skälva på sin plats och dras isär av de omgivande kropparnas rörelse.
Tricket att göra denna mätning idag är att du behöver en referenspunkt för att kalibrera din position relativt till det svarta hålets plats. Tekniken för en sådan mätning förutsätter att du tittar på kalibratorn, sedan på källan, igen på kalibratorn, igen vid källan, och så vidare. Samtidigt måste du flytta blicken mycket snabbt. Tyvärr förändras atmosfären mycket snabbt, och mycket kan ändras på 1 sekund, så att du helt enkelt inte har tid att jämföra två objekt. I alla fall inte med modern teknik.
Men tekniken inom detta område utvecklas otroligt snabbt. Verktygen som används på EHT väntar på uppdateringar och kanske kan nå den erforderliga hastigheten i mitten av 2020-talet. Detta pussel skulle kunna lösas i slutet av nästa årtionde, tack vare förbättrad instrumentering.
Slutligen kommer Event Horizon Telescope så småningom att se hundratals svarta hål. För att ta isär ett svart hål måste upplösningen för teleskopgruppen vara bättre (dvs hög upplösning) än storleken på objektet du letar efter. För närvarande kan EHT bara göra tre kända svarta hål i universum med en tillräckligt stor diameter: Skytten A *, centrum av M87, centrum för galaxen NGC 1277.
Men vi kan öka kraften i Event Horizon Telescope-ögat till jordens storlek om vi lanserar teleskopen i omloppsbana. I teorin är detta redan tekniskt möjligt. Ökningen i antalet teleskop ökar antalet observationer och frekvenser såväl som upplösningen.
Genom att göra nödvändiga förbättringar, istället för 2-3 galaxer, kommer vi att kunna hitta hundratals svarta hål eller ännu mer. Framtiden för fotoalbum med svart hål ser ljus ut.
Event Horizon Telescope-projektet var dyrt, men det lönade sig. Idag lever vi i eran med svart håls astronomi och har äntligen kunnat observera dem med våra egna ögon. Detta är bara början.
Ilya Khel
