2019 ne-a adus prima imagine a unei găuri negre. Un film poate urma

Găurile negre sunt fiare cu notorietate timid. Monștrii supermasivi care locuiesc în centrul galaxiilor cântăresc de milioane până la miliarde de ori masa Soarelui și controlează destinul a tot ce se află în vecinătatea lor, inclusiv lumina. În ciuda influenței atât de mari asupra galaxiilor lor natale, găurile negre nu își arată niciodată fețele.

Pana acum. După mai bine de un deceniu de muncă, rezultatele Telescopului Event Horizon, sau EHT, au uimit lumea în acest an cu prima imagine directă a orizontului evenimentelor unei găuri negre, regiunea dincolo de care nici măcar lumina nu poate scăpa.

Pentru a realiza această imagine remarcabilă, oamenii de știință au construit un „telescop” masiv conectând șapte observatoare din întreaga lume pentru a crea un instrument efectiv de dimensiunea Pământului (SN: 27.04.19, str. 7). Rezultatul: o imagine a siluetei rotunde a unei găuri negre pe fundalul ca un inel al discului său de acreție strălucitor, gazul și alte materiale atrase de apetitul gravitațional vorace al găurii negre.

Aproape imediat, acea imagine a susținut teoria generală a relativității a lui Einstein, a cântărit cel mai bun mod de a măsura masa unei găuri negre (SN Online: 22.04.19) și au oferit dovezi că orizonturile evenimentelor sunt reale. Acum, echipa EHT cercetează ce altceva poate dezvălui marea cantitate de date a telescopului, în speranța de a desluși mai multe mistere ale găurilor negre.

„Acesta este doar începutul acestei noi ere de observare a orizontului evenimentelor”, spune Kazu Akiyama, membru al echipei EHT și astrofizician la Observatorul MIT Haystack din Westford, Mass.

Iată cum au surprins oamenii de știință prima imagine a găurii negre supermasive din centrul galaxiei M87.

Instantaneul inițial al găurii negre, dezvăluit în aprilie, s-a concentrat asupra unei galaxii îndepărtate, M87 (SN: 27.04.19, str. 6). La aproximativ 6,5 miliarde de mase solare, gaura neagră a lui M87 este de aproximativ 1.600 de ori mai masivă decât cealaltă țintă a EHT, gaura neagră din centrul Căii Lactee. Acea gaură neagră, Săgetător A*, cunoscută și sub numele de Sgr A*, cântărește de aproximativ 4 milioane de ori masa Soarelui.

Fiind mai masiv, gigantul lui M87 a făcut un subiect mai ușor. Gazele care se învârteau în jurul acelei găuri negre au fost mai lente și și-au schimbat luminozitatea mai rar și mai puțin dramatic decât cele care se mișcau mai agil în jurul Sgr A*.

„M87 stătea nemișcat pentru portretul său”, spune Andrew Chael, astrofizician la Universitatea Princeton, membru al echipei EHT. „Sgr A* este ca un ghepard care alergă peste cadru.”

În datele culese pe parcursul unei săptămâni din aprilie 2017, Sgr A* și-a schimbat aspectul în decurs de câteva minute. Deci, în timp ce gaura neagră a lui M87 s-a împrumutat unei singure imagini statice, „pentru Sgr A*, ar putea fi nevoie să construim un film”, spune Akiyama.

Cel mai simplu mod de a face un film ar fi să împărțiți observațiile unei nopți în segmente, să faceți o imagine din fiecare segment și să le înșiri împreună, spune Katie Bouman, membru al echipei EHT, un cercetător de date la Caltech. Dar nu există suficiente informații chiar și în cel mai mic segment pentru a produce o imagine de încredere. „Reconstituiți prostii”, spune ea.

În schimb, echipa lucrează la tehnici pentru a umple golurile și a transporta în timp informații despre aspectul găurii negre. „Presumăm că, deși sursa evoluează, nu evoluează aleatoriu – există o anumită continuitate în modul în care gazul se mișcă în jurul găurii negre”, spune Bouman. Cusând împreună un film care se joacă fără probleme, ea și colegii speră să înțeleagă structura găurii negre.

Calea Lactee și Săgetător A*
Următoarea țintă a telescopului Event Horizon se pândește în centrul Căii Lactee (prezentat). Insertul mărește pe Săgetător A*, dezvăluind raze X (albastre) emise de gazul fierbinte capturat de gaura neagră.Raze X: NASA, UMass, D. Wang et alinfraroșu: NASA, STScI

O privire atentă asupra orizontului de evenimente al Sgr A* va oferi fizicienilor unul dintre cele mai bune teste de relativitate generală de până acum, spune fizicianul Feryal Özel de la Universitatea Arizona din Tucson. Teoria veche de un secol prezice modul în care masa unei găuri negre deformează spațiu-timpul (SN: 17.10.15, str. 16). Relativitatea generală face, de asemenea, predicții precise pentru dimensiunea inelului luminos și a siluetei întunecate pentru găurile negre de o anumită masă.

Gaura neagră a lui M87 era prea departe pentru ca astronomii să-i cunoască exact masa înainte de a captura imaginea. Dar masa lui Sgr A* este bine cunoscută, datorită deceniilor de măsurători ale stelelor care orbitează în jurul găurii negre a Căii Lactee. Capturarea imaginii Sgr A* ar fi „un test clar al unora dintre lucrurile pe care vrem să le privim”, spune Özel. „Inelul și umbra, fie au dimensiunea la care te aștepți, fie nu sunt… Este o oportunitate incredibilă pentru noi.”

Un film cu gaura neagră a lui M87 ar putea fi și el în lucru. „Observațiile noastre au oferit dovezi bune că M87 se schimbă de fapt [within] intervalul de timp de o săptămână”, spune Akiyama. Studierea modului în care se schimbă gaura neagră ar putea dezvălui detalii despre modul în care se rotește, învârtind plasmă magnetizată în jurul ei ca fusta unui dansator.

Printre alte comori care așteaptă în datele deja colectate este polarizarea luminii emise de inelul strălucitor al găurii negre a lui M87. Această măsură a orientării undelor luminoase – care se mișcă în sus și în jos, la stânga și la dreapta sau într-un unghi – le permite oamenilor de știință să determine aranjamentul câmpurilor magnetice puternice în apropierea găurii negre. Se crede că acele câmpuri magnetice controlează modul în care gaura neagră acumulează materie.

Aranjamentul „îți spune cum mănâncă gaura neagră”, spune astrofizicianul și membru al echipei EHT Michael Johnson de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică din Cambridge, Massachusetts. Găurile negre sunt cunoscute pentru poftele lor consistente, dar de fapt „este extrem de dificil să cadă. într-o gaură neagră”, spune el. O bucată de materie care orbitează va continua să orbiteze pentru totdeauna, cu excepția cazului în care o frecare sau vâscozitate din mediu o trage spre gaura neagră.

Fizicienii cred că câmpurile magnetice sunt cele care fac mediul din jurul găurilor negre vâscos. În 2015, Johnson și colegii au publicat observații EHT ale polarizării în jurul Sgr A*, care au arătat câmpuri magnetice încurcate aproape de gaura neagră și câmpuri mai organizate mai departe. Dar aceste observații au venit de la doar patru telescoape.

ilustrarea câmpurilor magnetice ale găurii negre
Cercetătorii Telescopului Event Horizon vor să măsoare câmpurile magnetice din jurul găurilor negre, un indiciu al modului în care obiectele mănâncă și cresc. Concepția acestui artist arată modul în care liniile de câmp magnetic (albastre) sunt aranjate în jurul găurii negre din centrul Căii Lactee.M. Weiss/CfA

„Avem această teorie frumoasă despre motivul pentru care găurile negre pot mânca, dar nu am văzut niciodată dovezi pentru aceasta”, spune Johnson. „Așadar, dacă EHT poate vedea aceste câmpuri magnetice, s-ar putea să vedem prima noastră privire asupra acestui proces de acumulare.”

Polarizarea ar putea ajuta, de asemenea, să explice o caracteristică misterioasă a lui M87: lansează un jet luminos, energetic, care se extinde pe ani lumină în spațiu. Câmpurile magnetice care se răsucesc în jurul găurii negre în timp ce aceasta se rotește sunt importante pentru lansarea avionului, cred fizicienii, dar detaliile sunt tulburi.

„Dacă am putea vedea această polarizare, am putea vedea aceste procese direct – câmpurile magnetice și jetul și modul în care sunt conectate la gaura neagră”, spune Johnson.

EHT se va reactiva în aprilie 2020, de data aceasta cu 11 observatoare, inclusiv Kitt Peak din Arizona și NOEMA din Alpii francezi. În viitor, oamenii de știință EHT iau în considerare trimiterea unui telescop în spațiu. Extinderea EHT pe orbita Pământului ar atenua grijile legate de vremea de la sol, care ar distruge observațiile – și ar ajuta la realizarea de imagini și mai clare ale și mai multor găuri negre.