Lielākais objekts mūsu nakts debesīs - līdz šim! - mums nav redzams. Objekts ir Supermasīvs melnais caurums (SMBH) mūsu Piena Ceļa galaktikas centrā ar nosaukumu Strēlnieks A. Bet drīz mums var būt attēls ar Strēlnieka A notikumu horizontu. Un šis attēls var radīt izaicinājumu Einšteina vispārējās relativitātes teorijai.
Neviens nekad nav redzējis melnā cauruma notikumu horizontu. Intensīva gravitācijas vilkšana neļauj aizbēgt jebkam, pat gaismai. Notikuma horizonts ir atgriešanās punkts. Neatkarīgi, bez gaismas un informācijas nevar izbēgt. Bet mēs, iespējams, esam tuvu attēla iegūšanai no Strēlnieka A notikumu horizonta, pateicoties notikumu horizonta teleskopam (EHT).
EHT ir starptautiska sadarbība, kuras mērķis ir izpētīt melnā cauruma tiešo apkārtni. Tas nav viens teleskops, bet drīzāk saistīta radioteleskopu sistēma visā pasaulē, kas visi strādā kopā, izmantojot interferometriju. Izmērot elektromagnētisko enerģiju no apgabala, kas ieskauj melno caurumu, ar vairākiem radio šķīvjiem vairākās vietās, var iegūt dažas avota īpašības.
Pētnieki ar EHT cer, ka viņu novērojumi galu galā sniegs intensīvas gravitācijas ietekmes attēlus, ko mēs sagaidām redzam melnā cauruma tuvumā. Viņi arī cer atklāt daļu no darba dinamikas netālu no cauruma, jo orbītā esošās vielas akrecijas diskā sasniedz relativistisku ātrumu.
EHT projekts četru gadu laikā apkopoja datus par Strēlnieku A un vēl vienu melno caurumu ar nosaukumu M87 Virgo A galaktikas centrā. Šie četri gadi beidzās 2017. gada aprīlī, bet 200 zinātnieku un inženieru komanda joprojām analizē datus. Pa to laiku komanda ir izlaidusi datoru modeļu attēlus, ko viņi cer redzēt.
Iespējams, ka attēls nav tik daudz, bet tas ir nozīmīgs. Tas ir līdzvērtīgi avīzes virsraksta lasīšanai uz Mēness, stāvot uz Zemes. Attēls var mums palīdzēt atbildēt uz dažiem mulsinošiem jautājumiem par melnajiem caurumiem:
- Kādu lomu galaktiku veidošanā spēlēja melnie caurumi?
- Kā izskatās gaisma un matērija, kad tās krīt uz melno caurumu?
- Kādas ir enerģijas plūsmas, kas šauj no melnajiem caurumiem?
Pastāv arī iespēja, ka Strēlnieka A EHT radītais attēls nozīmēs, ka Einšteina vispārējās relativitātes teorija būs jāatjaunina. (Lai gan derības pret Einšteinu parasti ir slikta ideja.)
Melnie caurumi un notikumu horizonts
Melnie caurumi būtībā ir zvaigznes līķis. Kad ļoti masīva zvaigzne sadedzina visu degvielu, tā sabrūk ārkārtīgi blīvā vietā vai savdabībā. Melnajam caurumam ir neticami spēcīga gravitācijas vilkme, kas pret to velk gāzi un putekļus. Reizi 10 000 gados Strēlnieks A pat patērē zvaigzni.
Notikuma horizonts ir kā apvalks ap melno caurumu. Tiklīdz kāda lieta vai pat gaisma sasniedz notikumu horizontu, tā ir beigusies. Melnais caurums palielinās, jo patērē matēriju, un paplašinās arī notikumu horizonts.
Strēlnieks A, mūsu pašu Super-Massive Black Hole (SMBH), ir masīvs. Tās masa ir 4 miljonus reižu lielāka nekā Saules. Bet pat tad, salīdzinot ar citiem SMBH, tas nav tik liels. Otrs SMBH EHT projektā ir daudz lielāks, tā masa ir 7 miljardus reižu lielāka nekā Saules.
EHT izveidos notikuma horizonta attēlu, izpētot zonu ap melno caurumu. Kaut kas notiek ar materiālu, jo tas iekrīt melnajā caurumā. Tas veido uzpūšanās disku ar virpuļojošām gāzēm un putekļiem, kas pamatā ir turēšanas rakstā, līdz tas iesūcas caurumā. Šis materiāls paātrinās līdz relativistiskiem ātrumiem, kas nozīmē tuvu gaismas ātrumam. Kad tas notiek, materiāls tiek pārkarsēts, un tas izstaro enerģiju.
Bet melnais caurums ir tik spēcīgs gravitācijas ziņā, ka tas liek šo gaismu parādībā, ko sauc par gravitācijas objektīvu. Šis objektīvs rada tumšu reģionu, ko sauc par melnā cauruma ēnu. Saskaņā ar teoriju notikuma horizontam jābūt apmēram 2,5 reizes lielākam par ēnu. Tiklīdz zinātniekiem ir ēnas attēls, viņi zina notikuma horizonta lielumu. Notikuma horizonta lielums ir proporcionāls melnā cauruma masai. Tātad Strēlnieka A gadījumā tam vajadzētu būt apmēram 24 miljoniem km (15 miljoni jūdzes) diametrā.
Tātad nebūs paša melnā cauruma attēlu, bet būs attēli ar ēnu, kuru melnais caurums izmet. Zinātniski tas ir liels lēciens mūsu izpratnē par melnajiem caurumiem. Un, ja rodas šaubas par melno caurumu esamību, ēnas attēls sniegs pārliecinošu pierādījumu tam, ka melnie caurumi patiešām pastāv.
EHT un lidmašīnas
Neskatoties uz Strēlnieka A milzīgo izmēru, tas debesīs ir niecīgs. Tas ir pārāk mazs, lai to varētu redzēt viens teleskops. Tāpēc tika ieviests EHT. Tas apvieno 7 atsevišķus radioteleskopus visā pasaulē vienā lielā virtuālajā teleskopā, izmantojot metodi, kuru sauc par ļoti garu bāzes līnijas interferometriju (VLBI), kaut ko astronomijas pazinējiem pazīstamu. Virtuālajam teleskopam ir daudz lielāka izšķirtspēja nekā vienam objektam, un tas ļāva astronomiem izpētīt teritoriju pie Sgr. A.
Vienas nedēļas laikā 2017. gada aprīlī EHT komanda norādīja visus septiņus tā diapazonus Sgr A, un septiņi atompulksteņi reģistrēja signālu ierašanās laiku katrā teleskopā. Pētot un apvienojot signālus, zinātnieki var izveidot Sgr A attēlu. Tas ir laikietilpīgs process, kas turpinās.
Enerģētiskās strūklas, kas izplūst no melnā cauruma apkārtnes, īpaši interesē pētniekus. Jautājums, kas virpuļo melnā cauruma uzpūtības diskā, sakarst līdz miljardiem grādu. Daļa no tā nonāk melnajā caurumā, bet ne viss.
Enerģētiskās strūklas ir tā daļa, kas izkļūst no akrecijas diska. Viņi pārvietojas tuvu gaismas ātrumam desmitiem tūkstošu gaismas gadu. Zinātnieki vēlas uzzināt vairāk par viņiem.
Kad runa ir par Sgr. A, mēs nezinām, vai ir sprauslas. Pēdējās desmitgadēs tas nav bijis īpaši aktīvs, tāpēc, iespējams, nav strūklas. Bet, ja viņi tur atrodas, EHT uzņems tur radio signālus. Tad mēs varam saņemt atbildes uz dažiem pamatjautājumiem par lidmašīnām:
- Kā viņi sāk?
- Kā viņi paātrinās līdz relativistiskiem ātrumiem?
- Kā viņi paliek stingri fokusēti?
- No kā tieši tie ir izgatavoti?
Vai Einšteina teorija par vispārējo relativitāti nepatikšanās?
Visticamāk ne. Bet pastāv iespēja.
Lielākā mūsu Saules sistēmas daļa ir diezgan prozaiska, darba diena. Un tieši šeit nāk lielākā daļa mūsu novērojumu, kas atbalsta vispārējo relativitāti. Bet melno caurumu ieskaujošais reģions nav normāla apkārtne.
Apstākļi tur ir ārkārtīgi. Intensīva gravitācija, pārkarsētas materiāla strūklas, kas pārvietojas tuvu gaismas ātrumam un notikuma horizontam. Bet attiecībā uz vispārējo relativitāti tas galvenokārt attiecas uz smagumu un gaismu.
Vispārējā relativitāte prognozē, ka melnā cauruma smagums izlieks telpas laiku un pievilks visu virzienā uz to, ieskaitot gaismu. EHT apkopotie dati sniegs šīs parādības mērījumus, kurus var salīdzināt ar Einšteina prognozēm. Ja dati sakrīt ar prognozēm, Einšteins atkal uzvar.
Vispārējā relativitāte rada vēl vienu prognozi: akrecijas diska ēnai jābūt apļveida. Ja tas nav apaļš un ir vairāk olveida, vispārējās relativitātes formulas nav pilnīgi precīzas.
Džons Vardls ir astronoms, kurš gadu desmitiem ilgi ir pētījis melnos caurumus, kad tie vēl bija tikai teorētisks pamats. Viņš ir ļoti iesaistīts EHT projektā. Wardle domā, ka vispārējā relativitāte izturēsies pret šo pārbaudi un ka Einšteins atkal uzvarēs. Bet, ja vispārējā relativitāte neiztur šo pārbaudi, mēs nonāksim ļoti grūtā un dīvainā situācijā.
"Tad mēs būsim smagā, taisnā jakā, jo jūs nevarat veikt izmaiņas, kas izjauc visus pārējos bitus, kas darbojas," sacīja Wardle. "Tas būtu ļoti aizraujoši."
- Brandeisas universitātes paziņojums presei: “Kā izskatās melnais caurums?”
- Pasākuma horizontālais teleskops
- Wikipedia ieraksts: interferometrija
- Wikipedia ieraksts: Event Horizon
