Kara delik yarın sonunda kendini gösterecek, ilk fotoğrafını kim çekti?
10 Nisan 2019'da Merkezi Standart Saat 15: 00'da (10 Nisan, Pekin saatiyle 21:00), dünya çapında altı konum (Brüksel, Belçika, Santiago, Şili, Şangay ve Taipei, Çin, Tokyo, Japonya ve Washington, ABD) İngilizce ve İspanyolca olacaktır. Dört dilde, Çince, Çince ve Japonca, koordineli bir küresel basın toplantısı aracılığıyla, Event Horizon Telescope (EHT) süper kütleli kara deliklerin fotoğraflarıyla ilgili büyük bir başarıyı duyuracak.İnsanlığın ilk karadelik fotoğrafları dünya çapında altı yerde aynı anda yayınlanacak. "Efsanede yaşayan" kara delik nihayet gerçek anlamını ortaya çıkarır.
Bundan önce, yazar yaklaşık 20 yıl kara delikler üzerinde çalıştı ve bana sık sık "kara delik nedir" diye soruldu.
Dürüst olmak gerekirse emin değilim.
Tez eğitim yazılımında kendi yaptığım renderlara ek olarak, karadeliğin görüntüsünü "kendi gözlerimle" ilk kez 2015 yılında bir sinemadaydı. Ekranda "Yıldızlararası Geçiş" in -altmasız "kara delik" Kagan Tuya "vardı. Siyah merkez ve parlak üç boyutlu gaz halkası - film için göreceli fizikçi Kip Thorne tarafından tasarlanan kara deliğin görüntüsü (bkz.Şekil 1), neredeyse hayal edilenle aynı.
(Kaynak: "Interstellar" filmi)
Genel görelilik teorisinden çıkarılan kara delik, 21. yüzyılda artık şüphe duyulmayacak olan evrenin derinliklerinde var. Kara delik kesinlikle sayısız gözlem verisinde var, ancak gerçekte gerçek görünümünü bilmiyoruz. Şimdi, insanlık nihayet bir kara deliğin ilk gerçek resmini çekmek üzere.
Geçen yıl olay ufku teleskop gözlem programı başlatıldı
5-14 Nisan 2017 tarihleri arasında, dünyanın dört bir yanındaki 30'dan fazla araştırma enstitüsünden bilim adamları, sanal bir teleskop oluşturmak için dünyanın farklı bölgelerine dağıtılmış 8 radyo teleskop dizisini kullanarak iddialı ve büyük bir gözlem planı gerçekleştirdiler. İnternette, insanların bir kara deliğin görsel arayüzünü ilk kez görmesi. Bu sanal teleskop ağına "Olay Ufuk Teleskobu" (Olay Ufuk Teleskobu, EHT) adı verilir ve etkili açıklık boyutu dünyanın çapına ulaşacaktır. İnsanoğlu ilk olarak 2015 yılında dönen ve birbiriyle birleşen iki kara deliğin ürettiği yerçekimi dalgalarının sesini duydu. O zamandan beri, bilim adamları kara deliklerin gerçek doğasına kendi gözleriyle şahit olmak için çok çalışıyorlar.
Elde ettiğimiz son kara delik görüntüsü ne olursa olsun - bir film ekranı gibi muhteşem ve görkemli mi, yoksa sadece birkaç bulanık piksel mi - olay ufku teleskopu büyük önem taşıyor ve bu, kara delik gözlemi tarihinde önemli bir adım. Gözlem sonucu bir resimden daha fazlasıdır.Bir yandan Einstein'ın genel görelilik teorisini yansıtırken, diğer yandan galaksideki muhteşem jetlerin galaksinin evrimini nasıl ürettiği ve etkilediğini yanıtlamamıza yardımcı olacaktır. Kara delikleri "gören" ilk insan olacağız, bu gerçekten iyi bir şans.
Resim ve gerçek yok, bilim adamları kara deliğin nerede olduğunu nasıl biliyorlar?
"Kara delik" terimi yalnızca 1968'de Amerikalı astrofizikçi John Wheeler tarafından önerilmiş olmasına rağmen, 1783 gibi erken bir tarihte İngiliz coğrafyacı John Michell şunu fark etmişti: Yoğun nesnelerin yoğunluğu o kadar yüksek olabilir ki ışık bile kaçamaz. Bu aynı zamanda sıradan insanların bugün kara deliklerle ilgili en temel anlayışıdır: Her şeyi soluyun, ışık bile kaçamaz.
Kara deliğin "Fang Rong" unu görmek istediğimiz için, bu uzak gök cismi hakkında daha çok şey bilmeliyiz. Bir kara deliğin hemen hemen tüm kütlesi en merkezi "tekillikte" yoğunlaşmıştır. "Tekillik", çevresinde güçlü bir çekim alanı oluşturur.Belirli bir aralıkta, ışık bile kaçamaz. Işığın kaçamayacağı kritik yarıçapa "görsel arayüz" denir - adından da anlaşılacağı gibi, görüş hattının ulaşabileceği arayüz. Merak ediyor olabilirsiniz: Dağcıların zirveye tırmanmasının nedeni "dağ orada", ama gökbilimciler kara deliği hiç göremedikleri için, "kara deliğin orada" olduğunu nasıl tespit ediyorlar?
Kara deliğin kendisi ışık yaymaz ve doğrudan tespit edilmesi zordur ve büyük ve küçük teleskoplar uzaktaki kara delikleri doğrudan gözlemleyemez. Bilim adamları yalnızca "ülkeyi kurtarmak için eğilip bükülebilirler" ve kara delikleri tespit etmek için toplama disklerini ve jetleri gözlemlemek gibi bazı dolaylı yöntemler kullanabilir.
Bir noktada, bir yıldızın çevresinde yıldız büyüklüğünde (3 güneş kütlesinden 100 güneş kütlesine kadar) bir kara delik olacak, yıldızın gazını kendi tarafına yırtıp, karadeliğin etrafında dönen bir gaz diski oluşturacak. Toplama diski.
Toplanan gaz çok fazla olduğunda, gazın bir kısmı, karadeliğin görsel arayüzüne düşmeden önce manyetik alanın etkisi altında dönme yönünde fırlayarak bir jet oluşturacaktır.
İki yığılma diski ve jet fenomeni (bkz.Şekil 2), hem parlak ışık hem de gaz sürtünmesi nedeniyle büyük miktarda radyasyon üretir, bu nedenle bilim adamları tarafından kolayca tespit edilirler ve kara deliğin saklandığı yer de açığa çıkar.
Teori çok dolu, gerçek çok zayıf. Örnek olarak Samanyolu'nu ele alalım, teorik hesaplamalara göre Samanyolu'nda on milyonlarca yıldız karadeliği olmalı Şimdiye kadar 4 veya 50 kara deliğe ek olarak sadece 20'den fazla kara deliğin varlığını doğruladık. Aday vücut.
Gök cisimlerinin kara delik olup olmadığını gerçekten doğrulamak için daha fazla ölçüm ve hesaplama yapmamız gerekiyor. Yüzbinlerce güneş kütlesinden milyarlarca ve hatta on milyarlarca güneş kütlesine kadar değişen süper kütleli bir kara deliği tespit etmek için zorluk daha da büyük. Bilim adamları, Samanyolu'nun merkezindeki kara delik SgrA * 'nın varlığını doğrulamak için çok çaba sarf ettiler. .
Samanyolu'nun merkezindeki kara deliğin ufkuna bakmak, dünyadan aydaki bir portakala bakmak gibi
Bir kara deliği keşfetmek çok zordur, resmini çekmek daha da zor olmaz mıydı?
17. yüzyılın başlarında teleskopların icadından bu yana, astronomik teleskopların çapı, en eski 2.5 cm çapından şu anki en büyük 10 metrelik optik teleskopa ve ayrıca Guizhou, Çin'deki 500 metre çapındaki radyo teleskopuna kadar gittikçe büyümüştür. Bir nesil daha büyük kalibreli teleskoplar da planlanıyor veya inşa ediliyor.Bu teleskopların tümü insan bilgeliğini yoğunlaştırıyor ve hatta insan toplumunun en yüksek teknolojik seviyesini temsil ediyor. Bununla birlikte, uzaktaki kara delikleri gözlemlemek için, şu anda tek bir teleskopa güvenmek yeterli olmaktan uzaktır. Bu nedenle, yaklaşık son 10 yılda, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) bilim adamları, dünyanın birçok yerinde 8 milimetre altı radyo teleskopu ile heyecan verici "Olay Ufuk Teleskobu" projesini gerçekleştirmek için diğer araştırma kurumlarından araştırmacılarla güçlerini birleştirdi. Kara deliğin gözlemleri aynı anda fırlatılacaktır (bkz. Şekil 3).
Bu sekiz kardeş kuzeyde İspanya'dan ve güneyde Güney Kutbu'ndan. Seçilen hedefe büyük bir ağ atacaklar ve bizim için kara deliğin görünümünü özetlemek için büyük miktarda veri toplayacaklar.
Bu teleskoplar şunlardır: Güney Kutbu Teleskopu; Şili'de Atacama Büyük Milimetre Dizisi (ALMA); Şili'de Atacama Yol Bulucu Deneyi (Atacama Yol Bulucu Deneyi); Meksika'da büyük milimetre dalga teleskopu (LargeMillimeterTelescope); Arizona, ABD'de bulunan (Milimetre altı Telescope);
Hawaii'deki Maxwell Teleskopu (JamesClerkMaxwell Telescope, JCMT); Hawaii'deki Milimetre Altı Dizisi; İspanya'daki Milimetre Dalga Radyo Astronomi Enstitüsü'nün 30 metrelik milimetre dalga teleskopu.
Bunların çoğu Hawaii'deki JCMT ve Güney Kutbu teleskopları gibi tekli teleskoplardır; 70'den fazla küçük teleskoptan oluşan ALMA teleskopu gibi teleskop dizileri de vardır. Ufuk Teleskobu'nun bu kez iki ana gözlem hedefi var, biri Samanyolu'nun merkezindeki kara delik SgrA *, diğeri ise M87 galaksisinde bulunan kara delik.
Bu iki kara deliğin gözlem hedefi olarak seçilmesinin nedeni, ufuklarının dünyanın en büyüğü olarak görünmesidir. Diğer kara deliklerin gözlemlenmesi daha zordur çünkü dünyadan daha uzaktadırlar veya sınırlı kütleye sahiptirler. SgrA * kara deliğinin kütlesi yaklaşık 4 milyon güneşe eşittir ve buna karşılık gelen ufuk boyutu yaklaşık 24 milyon kilometredir ve bu da 17 güneşin boyutuna eşittir.
Vay canına, süper büyük! ! Ancak ... dünya ve SgrA * 25.000 ışıkyılı uzaklıkta (yaklaşık 2,4 milyar kilometre), bu da bizim için büyük görsel arayüzünün sanki ayakta duruyormuşuz gibi muhtemelen sadece bir iğnenin ucu kadar küçük olduğu anlamına geliyor. Ay yüzeyine yerleştirilmiş bir portakalı görmek için dünyaya gidin.
M87'nin merkezindeki kara delik 6 milyar güneş kütlesine sahip olup, Dünya'dan SgrA * ile dünya arasındaki mesafeden daha uzak olmasına rağmen, kütlesel kütlesi nedeniyle görsel arayüzü SgrA * ile benzer olabilir. Yaklaşık aynı boyutta, hatta biraz daha büyük.
8 teleskop aynı anda 2 kara delik görüyor ve yılda sadece 10 günlük bir pencere var
İki kara deliğin görsel arayüzünün detaylarını net bir şekilde görebilmek için görsel arayüz teleskopunun uzamsal çözünürlüğünün yeterince yüksek olması gerekir. Ne kadar uzun olmalı? Hubble Teleskobu'nun çözünürlüğü 1.000 kattan fazla.
Bilim adamları, yıldızların kara deliğin etrafındaki konumunu ölçmek için tek bir teleskop kullanabilirler, ancak yıldız ile kara delik arasındaki mesafe ölçeğine (1 trilyon kilometre) kıyasla, ufkun boyutu çok küçüktür (milyonda birinin en az yüzde biri) Times), bu nedenle tek bir ayna ile tamamlamak zordur. Şu anda, uzaysal çözünürlüğü artırmak için, "girişim" teknolojisini, yani aynı anda ortak gözlemler yapmak için farklı yerlerde bulunan çoklu teleskopları kullanmamız ve son olarak korelasyon analizinden sonra verileri birleştirmemiz gerekiyor. Bu teknoloji radyoda kullanılır. Grup oldukça olgun.
Bu durumda teleskobun çözünürlüğü, tek bir teleskopun açıklığının boyutundan ziyade teleskoplar arasındaki mesafeye bağlıdır.Bu nedenle olay ufku teleskopunun çözünürlüğü, dünyanın çapına sahip bir radyo teleskopunun çözünürlüğüne eşdeğerdir.
Olay ufku teleskopu gözlem yapmadan önce, gökbilimciler SgrA * ve M87 galaksisinin merkezindeki kara deliği birlikte gözlemlemek için milimetrelik teleskopların bir kısmını kullandılar ve bazı heyecan verici sonuçlar elde ettiler: Kara delik ufkunu net bir şekilde göremedikleri halde, Ancak kara deliğin merkezindeki radyasyon tespit edildi.
Uzamsal çözünürlüğü artırmak ve daha küçük bir alanı net bir şekilde görmek için bilim adamları, bu gözlem için teleskop dizisine Şili ve Antarktika'da bulunan teleskopları ekledi. Sekiz teleskopun tümünün bu iki kara deliği görebilmesini sağlamak için, en yüksek hassasiyeti ve maksimum uzaysal çözünürlüğü elde etmek için, bilim adamları için gözlem penceresi çok kısadır, yılda sadece 10 gündür (2017 için 5 Nisan - 14 Nisan arası).
Gözleme katılan tüm teleskoplar arasında, Şili'de bulunan ve 14 milyar ABD dolarına mal olan ALMA milimetre teleskopu (bkz.Şekil 4) en önemlisidir, çünkü duyarlılığı şu anda tek diziler arasında en yüksek seviyededir, ancak gözlem süresi de en değerlisidir. nın-nin.
ALMA teleskopunun tam programında bir dizi kalabalık gözlem planıyla sınırlı olan kara delik ufkunun gözlemi şu anda sadece 4-5 gün için planlanıyor.Gecelerden ikisi Samanyolu'nun merkezindeki kara delik SgrA * 'nın gözlemi olacak. Zaman, M87 galaksisinin kara deliğini gözlemlemeye başlayacak.
Kara deliklerin geometrisine ek olarak, bu gözlem bizim için birçok soruyu da cevaplayacaktır.
Bir kara deliğin fotoğrafını çekmek kolay değildir ve "fotoğraf yıkama" daha da zaman alıcı ve uzundur. Radyo teleskopları kara delikleri doğrudan "göremez", ancak kara delikler hakkında büyük miktarda veri ve bilgi toplayacak ve bu verileri bir kara deliğin bilim insanlarına nasıl göründüğünü açıklamak için kullanacaklar.
Daha önceki interferometreler için, farklı teleskoplar arasındaki mesafe çok uzak olmadığından, farklı lokasyonlardan gelen gözlem verileri genellikle karşılaştırılabilir ve gerçek zamanlı olarak birleştirilerek görüntü elde edilebilir.Bilim adamlarının görüntüleri ekranda gerçek zamanlı olarak görmesi mümkündür. Bununla birlikte, kuzey ve güney yarımküreleri kapsayan bu olay ufku teleskop gözlemi için, oluşturulan veri miktarı çok büyük olacaktır çünkü ilgili saha alanı çok geniştir. Event Horizon Telescope tarafından gece başına üretilen veri miktarı 2PB'ye (1PB = 1000TB = 1000000GB) ulaşabilir, bu da Avrupa Büyük Proton Çarpıştırıcısı tarafından bir yılda üretilen veri miktarına benzer. Bazı bölgelerde (Güney Kutbu gibi) veri aktarım hızının nispeten yavaş olduğu düşünüldüğünde, bilim adamları gözlem sırasında çeşitli alanların verileri üzerinde gerçek zamanlı korelasyon analizi yapmayacaklar, bu nedenle kara deliğin gerçek zamanlı görüntüsünü ekranda görmek daha da imkansız hale geliyor.
Her gözlem merkezinde, bilim adamları, her elektromanyetik dalganın varış zamanını ayrı ayrı kalibre etmek ve kaydetmek için önceden kalibre edilmiş atom saati zamanını kullanacak ve ardından gözlem bittikten sonra bunları özetleyip karşılaştıracak.
Gözlem bittikten sonra, her alan tarafından toplanan veriler iki veri merkezinde toplanacaktır (Massachusetts, ABD'deki Haystack Gözlemevi ve Bonn, Almanya'daki Max Planck Radyo İstasyonu). Orada, büyük bir bilgisayar kümesi kara deliğin bir görüntüsünü oluşturmak için veri zamanını birleştirecek ve analiz edecek. Bu analiz için gereken süre altı aydan bir yıla kadar değişebilir.
Her şey yerli yerinde, sadece doğu rüzgarı.
Ekipman hazır olduktan sonra çok önemli bir faktör kaldı, hava durumu ve gözlem zamanı. Atmosferdeki su, bu gözlem bandında büyük bir etkiye sahip olduğundan, olay ufku teleskobunun sorunsuz bir şekilde gözlemleyebilmesi için 8 teleskop lokasyonunun hepsinde (Hawaii'den Şili'ye, Meksika'dan Güney Kutbu'na) çok iyi hava koşullarına sahip olması gerekir. Şu anda, bu teleskoplar genellikle daha yüksek rakımlarda bulunur ve yağış da çok düşüktür, bu nedenle tüm güneşli günlerin olasılığı aslında çok yüksektir.
Tüm veriler birleştirildiğinde ve görüntü nihayet elde edildiğinde, ben dahil gökbilimciler şu görüntüyü görmeyi umuyor: kara deliğin görsel arayüzüne çok yakın çok parlak bir foton halkasıyla çevrili siyah bir disk. Kara delik dönüşünün Doppler etkisi nedeniyle foton halkasının bir tarafı daha parlak, diğer tarafı daha karanlıktır (bkz.Şekil 5).
(Kaynak: https://zhuanlan.zhihu.com/p/61415770)
Event Horizon Teleskobu'nun gözlemleri bilimsel araştırma için büyük önem taşıyor.
Gökbilimciler, bu gözlem yoluyla Einstein'ın genel görelilik teorisinin en katı kısıtlama olabileceğini umuyorlar. Aynı zamanda, kara delik görüntüleri, galaksideki muhteşem jetlerin galaksinin evrimini nasıl ürettiğini ve etkilediğini yanıtlamamıza yardımcı olacak.
Elbette bilim adamlarının kafasındaki ideal resim budur ve gerçek kara delik görüntüsü çok daha kötü olabilir. Ancak son görüntü ne olursa olsun, sadece birkaç piksel görülebilse bile, izleme arayüzü teleskopu ile gözlem, insan kara delik gözlemi tarihinde önemli bir adım olacaktır.
Evrende kara delikleri kendi gözleriyle gören ilk karbon bazlı canlılar olduğumuz için ne kadar şanslıyız.
Üretildi: Popüler Bilim Çin
Yapım: Kara Delik Konuk Ekibi Gou Lijun Huang Yue
Yapımcı: Bilgisayar Ağı Bilgi Merkezi, Çin Bilimler Akademisi
