A fekete lyukak gondolata 1783-ban nyúlik vissza, amikor a Cambridge-i tudós, John Michell rájött, hogy egy elég kicsi térben egy elég masszív tárgy akár fényt is vonzhat anélkül, hogy hagyja elmenekülni. Több mint egy évszázaddal később Karl Schwarzschild pontos megoldást talált Einstein általános relativitáselméletére, amely ugyanazt az eredményt jósolta: egy fekete lyuk. Michell és Schwarzschild egyértelmű kapcsolatot jeleztek az eseményhorizont, vagy annak a régiónak a sugara között, ahonnan a fény nem tud kijutni, és a fekete lyuk tömege között.
Schwarzschild jóslata után 103 évig nem lehetett igazolni. És csak 2019. április 10-én a tudósok fedezték fel a legelső fényképeket az esemény horizontjáról. Einstein elmélete ismét működött, mint mindig.
Bár már sokat tudtunk a fekete lyukakról, még az esemény horizontjának első pillanatképe előtt is sokat változott és tisztázott. Nagyon sok kérdésünk volt, amelyekre most már van válaszuk.
2019. április 10-én az Event Horizon Telescope együttműködés bemutatta az első sikeres pillanatképet a fekete lyuk eseményhorizontjáról. Ez a fekete lyuk a Messier 87-ben található: a legnagyobb és legtömegebb galaxis a galaxisok helyi szuperhalmazában. Az eseményhorizont szögátmérője 42 mikro-ív másodperc volt. Ez azt jelenti, hogy 23 kvadrillió azonos méretű fekete lyukba kerül az egész égbolt lefedése.
55 millió fényév távolságra a fekete lyuk becsült tömege a Nap tömegének 6,5 milliárdszorosa. Fizikailag ez egy nagyobb méretnek felel meg, mint a nap körül körüljáró Plútó pályája. Ha nem lenne fekete lyuk, körülbelül egy napig kellene tartani, hogy áthaladjon az eseményhorizont átmérőjén. És csak azért, mert:
- az eseményhorizont távcső elég nagy felbontású, hogy megnézze ezt a fekete lyukat
- a fekete lyuk erősen rádióhullámokat bocsát ki
- nagyon kevés rádióhullám a háttérben, hogy zavarja a jelet
sikerült megszerezni ezt az első lövést. Ebből tíz mély leckét tanultunk.
Promóciós videó:
Megtanultuk, hogy néz ki egy fekete lyuk. Mi a következő lépés?
Ez az általános relativitáselmélet előrejelzése szerint valóban egy fekete lyuk. Ha valaha is látott egy cikket, melynek címe: „Teoretikus merészen azt állítja, hogy fekete lyukak nem léteznek” vagy „Ez a gravitációs új elmélet Einsteint megfordíthatja”, akkor a fizikusoknak nincs gondjuk alternatív elméletek felkutatásával. Annak ellenére, hogy az általános relativitáselmélet megtett minden tesztet, amelyet elvégeztünk, a fizikusoknak nincs hiánya kiterjesztéseiknek, pótlásaiknak és lehetséges alternatíváinak.
És egy fekete lyuk megfigyelése kizárja õk hatalmas számát. Most tudjuk, hogy ez egy fekete lyuk, nem egy féreglyuk. Tudjuk, hogy az eseményhorizont létezik, és hogy ez nem meztelen szingularitás. Tudjuk, hogy az eseményhorizont nem szilárd felület, mivel a leeső anyagnak infravörös aláírást kell adnia. És ezek a megfigyelések összhangban állnak az általános relativitáselmélettel.
Ez a megfigyelés azonban nem mond semmit a sötét anyagról, a gravitáció legváltozatosabb elméleteiről, a kvantitatív gravitációról vagy arról, ami az eseményhorizont mögött rejlik. Ezek az ötletek kívül esnek az EHT megfigyelésein.
A csillagok gravitációs dinamikája jó becsléseket ad a fekete lyuk tömegére; gázmegfigyelés - nem. A fekete lyuk első képe előtt több különféle módszer volt a fekete lyukak tömegének mérésére.
Használhatjuk a csillagok mérését - mint például a csillagok egyedi pályáit a saját galaxisunk fekete lyukánál vagy az M87 csillagok abszorpciós vonalai mellett -, amelyek gravitációs tömeget, vagy a központi fekete lyuk körül mozgó gázkibocsátást adtak.
Mind a galaxisunk, mind az M87 esetében ez a két becslés nagyon különbözött: a gravitációs becslések 50-90% -kal voltak magasabbak, mint a gázneműek. Az M87 esetében a gázmérések azt mutatták, hogy a fekete lyukon 3,5 milliárd nap van, a gravitációs mérések pedig közelebb állnak a 6,2 - 6,6 milliárdhoz. De az EHT eredmények azt mutatták, hogy a fekete lyuk 6,5 milliárd napelemet tartalmaz, ami azt jelenti,, a gravitációs dinamika kiválóan jelzi a fekete lyuk tömegét, de a gázok eredményei alacsonyabb értékek felé tolódnak el. Ez nagyszerű lehetőség, hogy újra megvizsgáljuk az orbitális gázzal kapcsolatos asztrofizikai feltételezéseinket.
Forduló fekete lyuknak kell lennie, és forgástengelye a Földtől távolabb esik. Az esemény horizontjának, a körüli rádiófrekvenciás sugárzásnak és a más csillagvizsgálók által mért nagy sugárkibocsátásnak az megfigyelésével az EHT megállapította, hogy Kerr fekete lyuk (forgó), nem Schwarzschild fekete lyuk (nem forog).
A fekete lyuk egyetlen egyszerű tulajdonságát sem vizsgálhatnánk ennek a természetnek a meghatározására. Ehelyett modelleket kell készítenünk magáról a fekete lyukról és az azon kívüli anyagról, majd azokat tovább kell fejlesztenünk, hogy megértsük, mi történik. Amikor megvizsgálja a lehetséges jeleket, amelyek felmerülhetnek, akkor lehetősége van korlátozni azokat, hogy azok összhangban álljanak az eredményekkel. Ennek a fekete lyuknak forognia kell, és a forgástengely körülbelül 17 fokkal a Földtől mutat.
Végül sikerült megállapítanunk, hogy van-e anyag a fekete lyuk körül, amely megfelel akkripciós lemezeknek és patakoknak. Már tudtuk, hogy az M87 sugárhajtóművel rendelkezik - az optikai megfigyelésekből -, és azt a rádió- és röntgen-tartományban is kibocsátja. Ez a fajta sugárzás nem érhető el csak csillagoktól vagy fotonoktól: szükség van anyagra, hanem elektronokra is. Csak azáltal, hogy az elektronokat egy mágneses mezőben felgyorsítjuk, megkaphatjuk a jellemző rádiókibocsátást: szinkrotron sugárzást.
Hihetetlen mennyiségű modellezési munkát igényelt. Az összes lehetséges modell összes paraméterének finomításával megtudhatja, hogy ezeknek a megfigyeléseknek nemcsak akkreditációs áramlásokra van szükségük a rádió eredmények magyarázatához, hanem szükségszerűen a nem rádióhullámok eredményeinek - például a röntgen sugarai - előrejelzésére is. A legfontosabb megfigyeléseket nem csak az EHT végezte el, hanem más megfigyelő intézetek, például a Chandra röntgen távcső. Az akkumulációs fluxusok felmelegedhetnek, amint azt az M87 mágneses kibocsátásának spektruma is igazolja, a mágneses mezőben lévő relativista gyorsító elektronoknak megfelelően.
A látható gyűrű a középső fekete lyuk körül szemlélteti a gravitációs erőt és a gravitációs lencsét; és ismét megvizsgálták az általános relativitáselméletet. Ez a rádióban lévő gyűrű nem felel meg magának az eseményhorizontnak, és nem felel meg a forgó részecskék gyűrűjének. És ez sem a fekete lyuk legstabilabb körpályája. Nem, ez a gyűrű egy gravitációs lencsés fotonok gömbéből származik, amelyek útját a szemünk felé vezető fekete lyuk gravitációja meghajolja.
Ez a fény egy nagyobb gömbre hajlik, mint amire számíthatnánk, ha a gravitáció nem lenne olyan erős. Amint az Event Horizon Telescope Collaboration írja:
"Megállapítottuk, hogy az összáram több mint 50% -a az ívsekundumokban halad át a horizonton, és ezt a sugárzást élesen elnyomják, ha belépünk ebbe a régióba, 10-szeres tényezővel, ami közvetlen bizonyítéka a várható fekete lyuk árnyékának."
Einstein általános relativitáselmélete ismét helyesnek bizonyult.
A fekete lyukak dinamikus jelenségek, sugárzásuk idővel változik. 6,5 milliárd nap tömegével körülbelül egy napig tart, hogy áthaladjon a fekete lyuk eseményhorizontján. Ez nagyjából meghatározza azt az időkeretet, amelyben számolhatunk az EHT által megfigyelt kibocsátás változásainak és ingadozásainak.
Még a több napig tartó megfigyelések is megerősítették, hogy a kibocsátott sugárzás szerkezete az előrejelzések szerint idővel változik. A 2017. évi adatok négy megfigyelési éjszakát tartalmaznak. Még ezt a négy képet is látva láthatja, hogy az első kettő hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, az utóbbi kettő között is vannak jelentős különbségek az első és az utolsó között. Más szavakkal, az M87-ben lévő fekete lyuk körüli sugárzás tulajdonságai idővel változnak.
Az EHT a jövőben felfedi a fekete lyuk kitörésének fizikai eredetét. Láttuk, hogy a röntgen- és a rádiósávokban is egy fekete lyuk a Tejútunk közepén rövid sugárzást bocsát ki. Bár a bemutatott fekete lyuk legelső képe egy szupermasszív tárgyat mutatott az M87-ben, galaxisunk fekete lyukja - Nyilas A * - ugyanolyan nagy lesz, csak gyorsabban változik.
Az M87 tömegéhez képest - 6,5 milliárd napelemes tömeg - a Nyilas A * tömege mindössze 4 millió napelemes tömeg lesz: az első 0,06% -a. Ez azt jelenti, hogy a ingadozásokat már nem a nap folyamán, hanem akár egy percen belül megfigyeljük. A fekete lyuk jellemzői gyorsan megváltoznak, és kitörés esetén felfedhetjük annak természetét.
Hogyan kapcsolódnak a fáklyák a látott rádiókép hőmérsékletéhez és fényességéhez? Van-e mágneses újracsatlakozás, mint a Nap koronális tömegei? Van valami felrobbant az akkreditációs folyamatokban? A * Nyilas naponta villog, így az összes szükséges jelet képes lesz társítani ezekhez az eseményekhez. Ha modelleink és megfigyeléseink olyan jók, mint az M87 esetében, akkor meg tudjuk határozni, hogy mi vezérli ezeket az eseményeket, és talán még azt is tudjuk, mi esik az őket létrehozó fekete lyukba.
Megjelennek olyan polarizációs adatok, amelyek feltárják, hogy a fekete lyukaknak megvan-e saját mágneses tere. Noha mindannyian örültek annak, hogy megtekintettük a fekete lyuk eseményhorizontjának első pillanatképét, fontos megérteni, hogy hamarosan egy teljesen egyedi kép fog megjelenni: a fekete lyukból származó fény polarizációja. A fény elektromágneses jellege miatt a mágneses mezővel való kölcsönhatása rá egy bizonyos polarizációs aláírást nyomtat, amely lehetővé teszi számunkra, hogy rekonstruáljuk a fekete lyuk mágneses mezőjét, valamint azt, hogyan változik az idő múlásával.
Tudjuk, hogy az esemény horizonton kívül eső anyag, mivel lényegében mozgó töltött részecskék (például elektronok), saját mágneses mezőt hoz létre. A modellek azt jelzik, hogy a mezővonalak maradhatnak akkripciós folyamokban, vagy áthaladhatnak az eseményhorizonton, egyfajta "horgonyt" képezve a fekete lyukban. Van kapcsolat a mágneses mezők, az akkreditáció és a fekete lyuk növekedése, valamint a fúvókák között. Ezen mezők nélkül az akkreditációs áramlásban levő anyag nem veszíthet el szögletes lendületet és eshet az eseményhorizontba.
A polarizációs adatok, a polarimetrikus képalkotás erősségének köszönhetően, ezt fogják mondani nekünk. Az adatok már megvannak: a teljes elemzés elvégzése még nem szükséges.
Az Event Horizon Telescope javítása felfedi más fekete lyukak jelenlétét a galaktikus központok közelében. Amikor egy bolygó a Nap körül forog, nem csak annak a ténynek tudható be, hogy a Nap gravitációs hatással van a bolygóra. Mindig egyenlő és ellentétes reakció van: a bolygó hatással van a napra. Hasonlóképpen, amikor egy tárgy egy fekete lyukat kering, akkor gravitációs nyomást gyakorol a fekete lyukra is. A galaxisok középpontja közelében lévő tömegeség jelenlétében - és eddig elméletileg sok láthatatlan fekete lyuknak is - a középső fekete lyuknak szó szerint remegni kell a helyén, és a környező testek Brown-mozgása által elválasztva.
Az a trükk, hogy ezt a mérést ma elvégezzük, az, hogy szüksége van egy referenciapontra a pozíció kalibrálásához a fekete lyuk helyéhez viszonyítva. Az ilyen mérés technikája feltételezi, hogy a kalibrátorra, majd a forrásra, a kalibrátorra, a forrásra és így tovább néz. Ugyanakkor nagyon gyorsan mozgatnia kell a tekintetét. Sajnos a légkör nagyon gyorsan változik, és sokat változhat 1 másodperc alatt, így egyszerűen nincs ideje összehasonlítani két objektumot. Mindenesetre, nem a modern technológiával.
De ezen a területen a technológia hihetetlenül gyorsan fejlődik. Az EHT-en használt eszközök frissítésre várnak, és a 2020-as évek közepére elérhetik a kívánt sebességet. Ezt a rejtvényt a továbbfejlesztett műszerezésnek köszönhetően a következő évtized végére meg lehet oldani.
Végül az Event Horizon Telescope végül több száz fekete lyukot fog látni. A fekete lyuk szétszereléséhez a távcsöves tömb felbontásának jobbnak (azaz nagy felbontásnak) kell lennie, mint a keresett objektum mérete. Jelenleg az EHT csak három ismert fekete lyukat képes kitölteni az univerzumban, kellően nagy átmérővel: Nyilas A *, M87 központja, az NGC 1277 galaxis központja.
De növelhetjük az Event Horizon Teleszkóp szemének erejét a Föld méretéhez, ha a távcsöveket pályára állítjuk. Elméletileg ez már műszakilag elérhető. A távcsövek számának növekedése növeli a megfigyelések számát és gyakoriságát, valamint a felbontást.
A szükséges fejlesztésekkel a 2-3 galaxis helyett több száz fekete lyukot vagy még többet találunk. A fekete lyukú fotóalbumok jövője fényesnek tűnik.
Az Event Horizon Telescope projekt drága volt, de megtérítette. Ma a fekete lyuk csillagászatának korszakában élünk, és végre meg tudtuk figyelni őket saját szemünkkel. Ez csak a kezdet.
Ilya Khel