İlk kara delik fotoğrafı çıktığında ondan ne elde edeceğiz ve ne kadarı hala bilinmiyor?
Kara delik kavramı 1783 yılına kadar izlenebilir. O zamanlar Cambridge bilim adamı John Michell, bir nesne yeterince büyük ve yeterince küçükse, tüm nesneleri çekebileceğini, ışığın bile kaçamayacağını keşfetti. Bir asırdan fazla bir süre sonra, Karl Schwarzschild (Karl Schwarzschild), Einstein'ın genel görelilik teorisine, aynı sonuca da işaret eden doğru bir cevabı keşfetti: kara delikler.
Hem Michel hem de Schwarzschild olay ufku, yani ışığın kaçamayacağı alanın büyüklüğü ile kara deliğin kütlesi ve ışık hızı arasındaki ilişkiyi açıkça öngörmüştü. Schwarzschild'in sonuçları yayınlamasından sonraki 103 yıl içinde sonuçlar doğrulanmadı. Son olarak, 10 Nisan 2019'da bilim adamları, tarihteki bir kara deliğin olay ufkunun ilk fotoğrafını yayınladı. Einstein'ın teorisi tekrar kazandı ve bilim için başka bir zaferdi.
Kara deliklerin ilk resmi yayınlanmadan önce kara delikler hakkında zaten çok şey bilmemize rağmen, bu resim durumu değiştirmek için yeterlidir. Bu şaşırtıcı keşiften önce, kara delikler hakkında birçok sorumuz vardı ve şimdi birçoğu başarıyla çözüldü.
10 Nisan 2019'da Event Horizon Telescope organizasyonu, başarılı bir kara delik olay ufkunun ilk fotoğrafını yayınladı. Tartışılan kara delik, aynı zamanda yerel üstkümemizdeki en büyük ve en büyük gökada olan M87 gökadasına aittir. Ölçümlere göre ufkun açısal çapı 42 mikroark saniyedir, yani tüm gökyüzünü doldurmak için aynı büyüklükte 23 katrilyon kara deliğe ihtiyaç vardır.
M87 bulutsusundaki kara delik, güneşten 55 milyon ışıkyılı uzaklıkta ve tahmini kütlesi güneşin 6,5 milyar katı. Aslında, Plüton'un güneş etrafındaki yörüngesinden bile daha büyüktür. Kara delik yoksa, ışığın olay ufkunun çapını geçmesi bir gün alır. İlk kara delik fotoğrafını alabildik çünkü
Bu fotoğrafı almak, zaten anladığımız veya şimdi anladığımız 10 konuya yeni bakış açıları getiriyor.
1. Bu aslında genel görelilik tahminiyle tutarlı bir kara deliğin fotoğrafıdır.
"Teorik fizikçiler kara deliklerin olmadığını cesurca ilan ederler" veya "Yeni yerçekimi teorisi Einstein'ı aşıyor" gibi makaleler okursanız, fizikçilerin ana akım teoriye alternatifler bulmaya çalıştıklarını zaten biliyor olabilirsiniz. Yeni teorik çerçeve. Genel görelilik, üzerinde yaptığımız tüm testlere dayanmış olsa da, her zaman onu genişletmeye, değiştirmeye ve hatta değiştirmeye çalışan insanlar var. Ancak bu fotoğrafın ortaya çıkması birçok girişimin ortadan kalkmasına neden oldu. Bunun bir solucan deliği değil kara delik olduğunu biliyoruz (en azından ana akım kuramlarda bir solucan deliği değil); aynı zamanda olay ufkunun da var olduğunu biliyoruz, sadece bir tekillik değil (en azından birçok kuramda sadece izole bir tekillik değil); Olay ufkunun kızılötesi ışık yayabilen maddeden yapılmış sert bir yüzey olmadığı da bilinmektedir. Bu sınırlı gözlemler genel görelilik ile tutarlıdır.
Bununla birlikte, gözlem sonuçları karanlık maddenin varlığını kanıtlayamaz, gözden geçirilmiş bir yerçekimi teorisini, kuantum yerçekimini veya olay ufkunun arkasındaki maddeyi içermez. Bunlar, Event Horizon Teleskobunun gözlem menzilinin dışındadır.
2. Gözlem gazı ile karşılaştırıldığında, yıldızların kütleçekim dinamikleri kara deliklerin kütlesini daha doğru tahmin eder.
Event Horizon Teleskopu ilk kara delik fotoğrafını almadan önce, kara deliğin kütlesini birkaç şekilde ölçebiliriz. Örneğin, kara deliğin yerçekimi dinamiklerini anlamak için Samanyolu'nda bir kara deliğin etrafında dönen yıldızların yörüngelerini ölçebiliriz; ayrıca M87'nin merkezindeki kara delik etrafındaki gazın hareketiyle üretilen soğurma spektrumunu da ölçebiliriz. Bu bize merkezdeki kara deliğin yörüngesindeki gazın kütleçekim kütlesini ve radyasyon miktarını verir.
Samanyolu ve M87 galaksisindeki kara delikler için bu iki yöntemle elde edilen sonuçlar oldukça farklıdır. Yerçekimi dinamiği hesaplamasının sonucu, genellikle çevreleyen gazın hesaplanmasından% 50-90 daha yüksektir. Örneğin, M87'nin merkezi kara deliğinin gazı çevrelediği tahmin edilen kütlesi, güneşin 3,5 milyar katı iken, yerçekimi dinamiklerinin kütlesinin 6,2-6,6 milyar katı olduğu tahmin edilmektedir. Olay Ufuk Teleskobu'nun ölçüm sonucu 6,5 milyar katıdır ve bu, yerçekimi dinamikleri hesaplamasının sonucuyla tutarlıdır. Kara deliğin çevreleyen gaz tarafından ölçülen kütlesi çok düşük olduğu için, bu fırsatı bu yöntemi yeniden incelemek için kullanacağız.
3. Bu, dönme ekseni dünyadan tam olarak uzakta olan dönen bir kara deliktir.
Olay ufkunun gözlemlenmesi, kara deliğin etrafındaki mikrodalga radyasyonu, büyük ölçekli jetler ve genişletilmiş mikrodalga radyasyonu üzerindeki diğer gözlemevlerinden elde edilen bir dizi sonucun kapsamlı analizi sayesinde olay ufku teleskop organizasyonu, kara deliğin Kerr tipine ait olduğu sonucuna varmıştır ( Schwarzschild (dönmeyen) türü yerine Döndürme).
Bu özelliği basit bir ilkeyle açıklayamayız. Bununla birlikte, karadeliğin kendisini ve dış maddesini tanımlamak için karmaşık bir kara delik modeli oluşturabiliriz. Bu modelin evrimi sayesinde ne olduğunu görebiliriz. Ortaya çıkabilecek çeşitli sinyalleri gördüğünüzde, sonucunuzla tutarlı olan kanıtları toplayabilirsiniz. Kara delik dönen bir durumda olmalı ve dönme ekseni dünyadan yaklaşık 17 ° 'lik bir açıyla uzaktadır.
4. Kara deliğin etrafındaki maddenin varlığını doğrulayabiliriz ve birikme halkası ve fıskiye kara deliğin yakınındadır.
M87 Bulutsusu'nun optik gözlemleri bize jetlerin varlığını ve hala mikrodalgalar ve X-ışınları yaydığını söylemiştir. Radyasyonun türünü bilmek istiyorsak, sadece yıldızlar ve fotonlar yeterli değil, özel maddeye, özellikle elektronlara ihtiyacımız var. Sadece manyetik bir alandan elektronları hızlandırarak senkrotron radyasyonu gibi karakteristik mikrodalga radyasyonu elde edebiliriz.
Bu, çok sayıda simülasyon deneyi gerektirir. Tüm modellerde çeşitli parametreleri ayarladıktan sonra, gözlem sonuçlarının mikrodalga radyasyonunu açıklamak için bir toplama halkası kullanması gerektiğini ve aynı zamanda X-ışını radyasyonu gibi mikrodalga olmayan radyasyonun tanıtılması gerektiğini görebiliriz.
Event Horizon Teleskobu tarafından yapılan önemli gözlemlere ek olarak, Chandra X-ray Teleskopu gibi başka gözlemevleri de var. M87'nin merkezi emisyon spektrumu, toplanma akışının, manyetik alandaki göreceli hızlandırılmış elektronlarla tutarlı olan büyük bir ısı taşıması gerektiğini göstermektedir.
5. Görünür halka, merkez kara deliğin etrafındaki yerçekimi kuvvetini ve kütleçekimsel merceklenme etkisini gösterir ve genel görelilik teorisi bir kez daha testi geçti.
Bu dairesel radyo halkası olay ufkuna veya yörüngesindeki parçacık halkasına karşılık gelmez. Aynı zamanda, kara deliğin en içteki sabit dairesel yörüngesi değildir. Aksine, bu halka yerçekimi merceğinden geçen fotonlardan oluşan bir küre tarafından üretilir ve bu fotonlar, gözümüze girmeden önce kara deliğin çekim kuvveti ile bükülür.
Event Horizon Teleskobu tarafından yayınlanan altı sayfalık raporun ilk sayfasına göre, eğer yerçekimi kuvveti o kadar güçlü değilse, ışığın yerçekimi kuvveti tarafından düşündüğünüzden daha büyük bir küre oluşturacak şekilde büküldüğünü göreceksiniz.
"Ark saniyede ışıma akısının% 50'sinden fazlasının olay ufkunun yakınlarından geldiğini ve emisyonun da iç bölgenin 10 katından fazla bastırıldığını bulduk, bu da bir kara deliğin gölgesini tahmin etmek için doğrudan kanıt sağlıyor."
Genel göreliliğin öngörüleri, sonuçlarımızla tutarlıdır; bu, Einstein'ın en büyük teorisindeki bir başka şaşırtıcı başarıdır.
6. Kara delikler dinamik nesnelerdir ve yaydıkları radyasyon zamanla değişecektir.
Yeniden yapılanmadan sonra, kara deliğin kütlesi yaklaşık 6,5 milyar güneş kütlesidir ve ışığın kara deliğin olay ufkundan geçmesi yaklaşık bir gün sürer. Bu yaklaşık zaman ölçeğidir.Bu zaman ölçeğinde olay ufku teleskopu ile radyasyon özelliklerinin değişimlerini ve dalgalanmalarını gözlemleyebiliriz.
Gözlem süresi sadece birkaç gün olmasına rağmen, radyasyonun yapısının tahminlerle tutarlı bir şekilde zamanla değişeceğini de belirledik. 2017 verileri dört gece gözlemini içermektedir. Sadece bu dört resme baksanız bile, ilk iki tarihin benzer özelliklere sahip olduğunu ve son iki tarihin de benzer özelliklere sahip olduğunu açıkça görebilirsiniz, ancak birincisi ile ikincisi arasında bariz değişiklikler var ve bunlar değil. değiştirme. Başka bir deyişle, M87 kara deliğinin etrafındaki radyasyonun özellikleri gerçekten de zamanla değişiyor.
7. Gelecekte, Event Horizon Telescope kara delik işaret fişeklerinin kökenini keşfedecek
Samanyolu'nun merkezindeki kara delikte kısa bir radyasyon patlaması meydana geldiğini X ışınlarında ve radyoda gördük. Yayınlanan ilk görüntü M87 galaksisindeki süper kara deliğe ait olsa da, galaksimiz Yay A *'daki kara delik de onun kadar büyük olacak, ancak daha hızlı bir zaman ölçeğinde değişecek.
Yay A * 'nın kütlesi sadece 4 milyon güneş kütlesidir ve M87'nin merkez kara deliğinin% 0.06'sıdır. Bu, Yay A * 'nın bir günlük zaman ölçeğinde değil, bir dakika değiştiği anlamına gelir. Özellikleri hızla değişir ve işaret fişekleri meydana geldiğinde bu işaret fişeklerinin doğasını ortaya çıkarabilmelidir.
İşaret fişekleri ile görebildiğimiz radyo işaretlerinin sıcaklığı ve parlaklığı arasındaki ilişki nedir? Güneş koronal kütle atımına benzer bir manyetik alan yok olma olayı oldu mu? Birikme akışından bir şey kayboldu mu? Yay A * her gün var mı? İşaret fişekleri, böylece bu sorunlarla ilgili sinyalleri takip edebiliriz. Simülasyonlarımız ve gözlemlerimiz M87 kadar iyiyse, bu fenomene neyin sebep olduğunu belirleyebiliriz ve bunları oluşturmak için kara deliğe neyin düştüğünü bilmek mümkündür.
8. Polarizasyon verilerinin sonucu, kara deliğin doğal bir manyetik alana sahip olup olmadığını kanıtlayacaktır.
Hepimiz kara delik olay ufkunun ilk resmini izlerken, yeni bir resmin geldiğini anlamak ve kara delikten gelen ışığın kutuplaşmasını göstermek önemlidir. Işığın elektromanyetik özelliklerinden dolayı, manyetik alanla etkileşimi, üzerinde belirli polarizasyon özellikleri bırakarak, kara deliğin manyetik alanını ve manyetik alanın zamanla nasıl değiştiğini yeniden yapılandırmamızı sağlar.
Olay ufkunun dışındaki maddeyi biliyoruz, çünkü kendi manyetik alanını oluşturan hareketli yüklü parçacıklara (elektronlar gibi) dayanıyor. Model, bu manyetik alan çizgilerinin ya yığılma akışında kaldığını ya da olay ufkundan geçtiğini ve sonunda kara delik tarafından demirlendiğini gösteriyor. Bu manyetik alanlar, kara deliklerin büyümesi ve büyümesi ile yaydıkları jetler arasında bir bağlantı vardır. Manyetik alan olmadan, birikme akışındaki madde açısal momentum kaybı nedeniyle ufka düşemez.
Polarizasyon görüntüleme yoluyla, polarizasyon verileri bize kara delikler hakkında bazı gerçekler söyleyecektir. Verilere sahibiz, ancak yine de kapsamlı bir analiz yapmamız gerekiyor.
9. Ufuk Teleskobu'na yükseltme, galaksinin merkezine yakın ek kara delikler keşfetmemize yardımcı olacaktır.
Bir gezegen güneşin yörüngesinde döndüğünde, bunun nedeni sadece güneşin gezegene bir çekim kuvveti uygulaması değildir. Bunun yerine, gezegenin güneşi geri çekmesine izin veren eşit ve zıt bir kuvvet var. Bu fenomene benzer şekilde, bir nesne bir kara deliğin yörüngesinde döndüğünde, kara deliğin kendisine de yerçekimi uygulayacaktır. Galaksinin merkezine yakın birçok büyük kütle vardır - teoride, henüz keşfedilmemiş birçok küçük kara delik de vardır - merkezdeki kara delik Brownian hareket titremesi içinde olmalıdır.
Bu ek kara delikleri şimdi gözlemlemenin zorluğu, kara deliğe göre konumunuzu kalibre etmek için bir referans noktasına ihtiyaç duymanızdır. Bu teknik, kalibratörünüzü gözlemlemeyi, ardından hedefinizi gözlemlemeyi ve ardından işlemi tekrarlamayı gerektirir. Bu, önce uzağa bakmanızı ve ardından hızla hedefinize dönmenizi gerektirir. Ne yazık ki, atmosfer çok hızlı değişiyor ve 1 ila 10 saniyelik bir zaman ölçeğinde, başka bir yere bakıp ardından hedefinize geri dönecek vaktiniz yok. En azından bugünün teknolojisi bunu yapamaz.
Ancak bu, teknolojinin çok hızlı ilerlediği bir alan. Event Horizon Telescope organizasyonu tarafından kullanılan aletlerin yakın gelecekte yükseltilmesi ve 2020'lerin ortalarında gerekli hıza ulaşması bekleniyor. Ekipmanların yenilenmesi nedeniyle bu sorun en geç on yıl içinde çözülebilir.
10. Son olarak, Event Horizon Teleskobu sonunda yüzlerce kara delik görecek
Bir kara deliği gözlemlemek için, daha iyi çözünürlüğe (daha yüksek çözünürlük elde etmek için), en azından gözlemleyen nesnenin boyutundan daha iyi olan bir teleskop dizisine ihtiyacınız vardır. Şu anki Ufuk Teleskobu için, evrende yeterince büyük çapa sahip bilinen sadece üç kara delik vardır: Yay A *, M87'nin merkezi ve (radyo sakin) gökada NGC 1277'nin merkezi.
Ancak teleskobu yörüngeye fırlatarak dünyanın sınırlarının ötesine geçerek ufuk teleskobunun atış kabiliyetini artırabiliriz. Bu teorik olarak mümkün. Gerçek şu ki, Rusyanın uzay radyo teleskopu şimdi böyle bir şey yapıyor! Radyo teleskoplu uzay aracı dizileri dünyanın yörüngesinde dönüyor ve bu da teleskop dizilerimizin çözünürlüğünü büyük ölçüde artıracak. Temeli 10 veya 100 kat artırırsak, çözünürlüğümüz de aynı faktör kadar artacaktır. Benzer şekilde, gözlem frekansını arttırdığımızda çözünürlüğü de arttırırız, tıpkı yüksek frekanslı ışığın dalga boyu aynı çapta daha fazla teleskoptan geçebildiği gibi.
Bu iyileştirmelerle sadece birkaç galaksi değil, aynı zamanda yüzlerce kara delik ve daha fazlasını keşfedebiliyoruz. Veri aktarım hızları artmaya devam ettikçe, hızlı aşağı bağlantılar mümkün hale gelir, bu nedenle verileri tek bir konuma döndürmemize gerek kalmaz. Kara delik görüntülemenin geleceği ümit verici.
Elbette küresel ve uluslararası bilim insanı ağlarının ve ekipmanlarının ortak çabaları olmadan bunu asla yapamayacağımızı anlamalıyız. Bu şaşırtıcı başarının nasıl elde edildiği hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen Smithsonianın 12 Nisan Cuma günü gösterime girecek belgeselini izleyin.
Pek çok insan, bu yıl çok geç olmasına rağmen, bu keşfin 2020'de Nobel Fizik Ödülü'nü kazanabileceğini düşünüyor. Olursa, kazanabilecek adaylar şunları içerir:
Shep Doeleman (Shep Doeleman), kara delikleri tespit etmek ve fotoğraflamak için projenin öncüsü, kurucusu ve lideridir.
Heino Falcke, Event Horizon Teleskobu tarafından kullanılan Very Long Baseline Interferometry (VLBI) tekniğinin olay ufkunu nasıl görüntüleyebileceğini detaylandıran ufuk açıcı bir makale yazdı.
Roy Kerr'in genel görelilikte dönen kara deliğe getirdiği çözüm, bu simülasyondaki ayrıntılı işlemenin temelini oluşturuyor.
Jean-Pierre Luminet ilk olarak 1970'lerde bir kara deliğin görüntüsünü simüle etti ve M87'nin uygun bir araştırma nesnesi olduğunu öne sürdü.
Ayrıca kara deliklerin etrafındaki birikme akışını simüle etmeye önemli bir katkıda bulunan Avery Broderick (Avery Broderick) de var.
Event Horizon Teleskopu, yüksek risk ve yüksek bilim geri dönüşünün dikkate değer bir örneğidir. 2009'daki on yıllık bir incelemede, iddialı bir şekilde 1920'lerin sonunda bir kara delik görüntüsü olacağını ilan ettiler. On yıl sonra, gerçekten bir kara delik resmim var. Bu inanılmaz bir başarı.
Gelişmiş bilgi işlem teknolojisine, çok sayıda radyo teleskop tesisinin inşasına ve entegrasyonuna ve uluslararası toplumun işbirliğine dayanır. Her bir uzay istasyonuna atomik saatler, yeni bilgisayarlar, farklı gözlemevlerini bağlayabilen konektörler ve diğer gerekli yeni teknolojiler takılıyor. Araştırmacıların gözlem izinleri, finansman ve test süresi almaları gerekir. Ayrıca aynı anda farklı teleskoplarla gözlem yapılmasına izin verilmesi gerekiyor.
Ama tüm bunlar oldu, inanılmazdı ve karşılığını aldı. Şimdi, olay ufkunun hayal etmemizi ve anlamamızı beklediği kara delik astronomisi çağında yaşıyoruz. Bu sadece başlangıç. Işığın bile kaçamayacağı kara delikleri gözlemleyerek eşi görülmemiş kazançlar elde ettik.
Referans
1. WJ Ansiklopedisi
2. Astronomik terimler
3. orta-Ethan Siegel
İlgili herhangi bir içerik ihlali varsa, silmek için lütfen 30 gün içinde yazarla iletişime geçin
Lütfen yeniden baskı için yetki alın ve bütünlüğü korumaya ve kaynağı belirtmeye dikkat edin
