Ratateleskoopit voisivat auttaa meitä kuvaamaan mustia aukkoja enemmän kuin koskaan ennen.
Sheperd Doelemanilta kesti lähes vuosikymmenen saavuttaa mahdoton. Satojen tutkijoiden kansainvälisen yhteistyöprojektin Event Horizon Telescope (EHT) johtajana hän vietti vuosia lentäen matkalaukkuja täynnä kiintolevyjä ympäri maailmaa koordinoimaan havaintoja radioteleskooppien välillä neljällä mantereella, mukaan lukien Antarktis. 9. huhtikuuta 2019 yhteistyö julkaisi vihdoin heidän työnsä hedelmät ja maailma katseli ensimmäinen kuva mustasta aukosta.
Urakka – jota uraauurtava mustien aukkojen teoreetikko James Bardeen kutsui toivottomaksi vuonna 1973 – edusti tähtitieteellisen tekniikan huimaa saavutusta. Mutta kun tietojen käsittely oli tehty ja samppanja poksahti, EHT-yhteistyö muistutti jossain mielessä koiraa, joka nappasi auton. "Jokainen yllätti hieman, että he saivat niin hyvän kuvan niin nopeasti", sanoo Andrew Strominger, teoreettinen fyysikko Harvardin yliopistossa. "Sheperd ja Michael [Johnson, Harvard-Smithsonin astrofyysikko ja EHT-koordinaattori] kysyivät minulta siitä. 'Mitä me teemme tämän kanssa? Otimme kuvan, mitä nyt?"
Nyt Strominger ja monitieteinen tutkijaryhmä, johon kuuluu teoreetikot, kokeeilijat ja yksi filosofi, ovat palanneet villin vastauksen kanssa, joka ilmestyi viime viikolla Science Advancesissa. Riittävän kaukaisen teleskoopin avulla EHT-yhteistyö pystyi havaitsemaan useita mustan aukon ympäriltä virtaavan valon heijastuksia. Lajittelemalla näiden sekalaisten säteiden tarkkaa kuviota, tähtitieteilijät pystyivät mittaamaan suoraan mustien aukkojen perusominaisuudet ja rasitustestaamaan Einsteinin painovoimateorian enemmän kuin koskaan ennen. Pohjimmiltaan he toivovat, että mustista aukoista tulee enemmän tähtiä ja planeettoja: ei vain pohdittavia esineitä, vaan myös suoraan havainnoitavia.
"Nämä ovat esineitä, jotka ovat olleet minulle vain yhtälöitä, joita yritän visualisoida matemaattisesti mielessäni", sanoo Alex Lupsasca, Harvardin teoreetikko, joka työskenteli tutkimuksen parissa. "Mutta nyt saamme heistä oikeita kuvia."
Ryhmä teki lyijykynällä ja paperilla laskelmia käyttäen Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa ja ennennäkemättömän resoluution simulaatioita analysoidakseen, mitä mustat aukot tekevät valolle. Spoilerivaroitus: se muuttuu oudoksi. "Mustat aukot, ne ovat vain tavallaan parhaita kaikessa, mitä tekevät", Lupsasca sanoo. Ja siihen sisältyy valonsäteiden taivuttaminen silmukoiksi.
Fysiikan lakien sallimina tiheimpinä esineinä mustilla aukoilla on paljon kosmista vetovoimaa, ja fyysikot ovat pitkään tienneet, että kuilut peittyvät valokuoriin. Missä maapallo voisi vetää puoleensa ohi kulkevaa avaruuskiveävetää sen muutamalle kiertoradalle ennen kuin se karkaa avaruuteen – mustat aukot voivat vangita todellisia valohiukkasia. Kaikki mustaan aukkoon törmäävä juuttuu ikuisesti sisälle, mutta rajaa tiukasti ohittavat fotonit voivat tehdä muutaman käännöksen mustan aukon ympäri. "Tämä on aika-avaruuden vääntynyt luonne kasvoillasi", Lupsasca sanoo.
Strominger, Lupsasca ja heidän kollegansa laskivat tarkalleen valokuoren ominaisrakenteen ja sen, miltä se näyttäisi maapallolta katsottuna.
Näin se toimii. Kun valonsäteet lähestyvät mustaa aukkoa, sen pelottava painovoima vetää ne kiertoradalle. Tietyllä etäisyydellä kulkevat säteet tekevät puoli kierrosta mustan aukon ympäri ennen kuin pakenevat avaruuteen. Hieman lähempänä kulkevat säteet voivat tehdä täyden ympyrän ennen kuin palaavat sieltä, mistä ne tulivat. Lähemmäs kulkevat säteet voivat silti tehdä puolitoista kierrosta, toiset kaksi kierrosta ja niin edelleen. Jokainen näistä äärettömistä valonsäteiden ryhmistä voi muodostaa kuvan (jos ne osuvat kameraan tai silmämunaan), joten musta aukko voisi tuottaa äärettömän määrän tällaisia kuvia. Strominger vertaa trippy-efektiä kahden tavaratalon peilin välissä seisomiseen ja kuvien näkemiseen itsestäsi ulottuvan kauas.
"Täydellisessä maailmassa, jossa on täydellinen kaukoputki, katsoisit mustaa aukkoa ja näkisit paitsi äärettömän määrän sisäkkäisiä kuvia itsestäsi, vaan koko maailmankaikkeudesta", hän sanoo.
https://youtu.be/4-DvyMPs-gA/
Mutta EHT ei ole täydellinen, kuten kaikki kaukoputket. Se ei myöskään ole varsinaisesti kaukoputki, vaan teknisesti interferometri. Interferometrit toimivat vertaamalla havaintoja kaukaisesta pisteestä kahdesta eri paikasta. Mitä kauempana toisistaan paikat sijaitsevat, sitä hienompia kohteen piirteitä ne pystyvät ratkaisemaan. Koska peräkkäiset mustan aukon heijastukset (jotka näyttäisivät havainnoijalle renkaina) ohenevat ja ohenevat, tähtitieteilijöiden on hyödynnettävä kauempana olevia observatorioita nähdäkseen ne. Valitettavasti EHT: n tila on loppumassa Havaijilla, Chilessä, Espanjassa ja etelänavalla. "He ovat jo käyttäneet koko maan vain nähdäkseen ensimmäisen kuvan", Strominger sanoo.
Heijastusrenkaiden havaitsemiseksi EHT: n on mentävä vielä pidemmälle. Lopulta tutkimuksen tekijät päättelevät, että yhteistyön pitäisi lisätä heidän verkostoonsa avaruudessa sijaitseva observatorio. Vain yksi tekisi sen. Maata kiertävä satelliitti havaitsi selvästi ensimmäisen renkaan tai kuuta kiertävä laitteisto voisi nähdä toisen. Jos he voisivat saada avaruusaluksen Maan ja Auringon väliseen paikkaan, joka tunnetaan toisena Lagrangian pisteen (tulevan James Webbin avaruusteleskoopin kohde) he voisivat ratkaista ensimmäisen kolme rengasta. Tällainen tehtävä saattaa maksaa muutaman sadan miljoonan dollarin – kalliita, mutta ei läheskään yhtä kalliita kuin suurimmat tiedeprojektit. "Se on jotain, jonka joku joskus tekee", Lupsasca sanoo. "Se on vain ajan kysymys."
Tällä rahakasalla astrofyysikot ostaisivat runsaasti mustien aukkojen tietoa. Renkaiden havainnointi toimisi välittömästi ensimmäisenä yleisen suhteellisuusteorian kokeena ympäristössä, jossa painovoima on tarpeeksi voimakas taivuttamaan valonsäteet täyssilmukoiksi. Tapa, jolla renkaat kapenevat, on erittäin tarkka, joten kaikki poikkeamat osoittaisivat, että jotain outoa on meneillään. "Ei ole heiluttelutilaa", Lupsasca sanoo. "Menet sinne ja teet mittauksen, ja se joko vastaa teoriaa tai ei."
Harvat teoreetikot odottavat Einsteinin menestyneimmän teorian murtumista. Pikemminkin he ovat innoissaan siitä, mitä renkaat voivat paljastaa kahdesta riittävän lähellä olevasta mustasta aukosta, jotta ne voidaan kuvata tällä tavalla. Tähtitieteilijillä on muutamia tapoja mitata mustan aukon perusominaisuuksia, kuten sen massaa ja spiniä, mutta heidän on tehtävä paljon oletuksia tehdäkseen niin. Rengaskuvio riippuu vain mustasta aukosta – sillä ei ole mitään tekemistä lähellä olevan hehkuvan plasman ja roskien kanssa – joten havainnot voisivat tarjota puhtaamman tavan fyysikoille vastata peruskysymyksiinsä näistä arvoituksellisista asioista esineitä.
Ja tämä analyysi on vasta alkua. Kun teos julkaistiin viime kesänä (ennen vertaisarviointia), se sai aikaan seurantatutkimuksen villiintymisen, kun fyysikot ryntäsivät täydentämään teoriaa. "On korostettu, että on paljon hienoja yksityiskohtia, joita emme ole vielä tutkineet, ja se sai meidät innostumaan mahdollisista uusista allekirjoituksista", sanoo Elizabeth Himwich, Harvardin jatko-opiskelija, joka analysoi miten valotyyppi vaihtuu renkaasta toiseen.
Lupsasca vertaa tulevaa työtä biologian alkuaikaan. "Ennen kuin haluat ymmärtää DNA: n sekvensointia ja CRISPR: n käyttämistä DNA: n kopioimiseen ja muokkaamiseen, mene ensin metsään ja sano: "Tuo on puu, se on kukka", hän sanoo. "Tässä olemme mustan aukon fysiikan kanssa kokeellisena tieteenä."
