Event Horizon Telescope, et planetskala utvalg av åtte bakkebaserte radioteleskoper smidd gjennom internasjonalt samarbeid, fanget dette bildet av det supermassive, svarte hullet i sentrum av galaksen M87 og dens skygge.
(Bilde: © EHT Samarbeid)
Sorte hull har endelig blitt dratt ut av skyggene.
For første gang noensinne har menneskeheten fotografert et av disse unnvikende kosmiske dyrene, og lyset på et eksotisk romtid-rike som lenge hadde vært utenfor vår ken.
"Vi har sett hva vi trodde var usynlig," sa Sheperd Doeleman fra Harvard University og Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i dag (10. april) under en pressekonferanse i National Press Club i Washington, D.C.
Doeleman leder prosjektet Event Horizon Telescope (EHT), som fanget det episke bildet. Disse fire bildene, som ble avdekket i dag ved presseeventer rundt om i verden og i en serie publiserte artikler, skisserer konturene av det svarte monsterhullet som lurer i hjertet av den elliptiske galaksen M87.
Bildet er i seg selv blidende nok. Men enda mer viktig er løypen de nye resultatene trolig vil brenne, sa forskere.
"Det er virkelig et nytt felt å utforske," sa Peter Galison, professor i fysikk og vitenskapens historie ved Harvard, i en EHT-forhandling forrige måned på festivalen South by Southwest (SXSW) i Austin, Texas. "Og det er til slutt det som er så spennende med dette."
Galison, som medstiftet Harvards tverrfaglige Black Hole Initiative (BHI), sammenlignet bildets potensielle innvirkning med tegningene laget av den engelske forskeren Robert Hooke på 1600-tallet. Disse illustrasjonene viste folk hvordan insekter og planter ser ut gjennom et mikroskop.
"Det åpnet en verden," sa Galison om Hookes arbeid.
Et teleskop på størrelse med jorden
EHT er et konsortium av mer enn 200 forskere som har vært i verkene i omtrent to tiår. Det er en virkelig internasjonal bestrebelse; finansiering gjennom årene har kommet fra U.S. National Science Foundation og mange andre organisasjoner i land rundt om i verden.
Prosjektet henter navnet fra et svart hulls berømte punkt uten tilbakevending - grensen utenfor noe som ikke engang lys kan unnslippe gjenstandens tyngdekoblinger.
"Arrangementshorisonten er den ultimate fengselsmuren," sa BHI-gründerdirektør Avi Loeb, styreleder for Harvards astronomiavdeling, til Space.com. (Loeb er ikke en del av EHT-teamet.) "Når du er inne, kan du aldri komme deg ut."
Det er derfor umulig å fotografere interiøret i et svart hull, med mindre du på en eller annen måte klarer å komme inn der selv. (Du og bildene dine kunne selvfølgelig ikke komme tilbake til omverdenen.)
Så EHT skildrer begivenhetshorisonten og kartlegger det sorte hullets mørke silhuett. (Disken med hurtigflytende gass som virvler rundt og inn i svarte hull sender ut mye stråling, så slike silhuetter skiller seg ut.)
"Vi ser etter tap av fotoner," sa EHT-vitenskapsrådmedlem Dan Marrone, en førsteamanuensis i astronomi ved University of Arizona, til Space.com.
Prosjektet har undersøkt to sorte hull - M87-behemoth, som har rundt 6,5 milliarder ganger massen av jordas sol, og vår egen Melkeveis galakks sentrale sorte hull, kjent som Skytten A *. Dette sistnevnte objektet, selv om det fremdeles er et supermassivt svart hull, er en rund sammenlignet med M87s dyr, som inneholder bare 4,3 millioner solmasser.
Begge disse gjenstandene er tøffe mål på grunn av deres enorme avstand fra Jorden. Skytten A * ligger omtrent 26 000 lysår fra oss, og M87s sorte hull er hele 53,5 millioner lysår unna.
Fra vårt perspektiv er Skytten A * 's hendelseshorisont "så liten at det tilsvarer å se en appelsin på månen eller å kunne lese avisen i Los Angeles mens du sitter i New York City," sa Doeleman under SXSW-arrangementet forrige måned.
Ingen eneste teleskoper på jorden kan gjøre den observasjonen, så Doeleman og resten av EHT-teamet måtte bli kreative. Forskerne har koblet sammen radioteleskoper i Arizona, Spania, Mexico, Antarktis og andre steder rundt om i verden, og dannet et virtuelt instrument på størrelse med jorden.
Så mye data
EHT-teamet har brukt dette megaskopet for å studere de to supermassive sorte hullene til to ukeslengde strekk til dags dato - en gang i april 2017 og igjen året etter. Det nye bildet kommer fra det første observasjonsløpet.
Det er gode grunner til at det har tatt to år før prosjektets første resultat kommer ut. For det første genererte hver natt av observasjon omtrent 1 petabyte med data, noe som resulterte i et slikt trekk at teamet må flytte informasjonen sin fra sted til sted på gammeldags måte.
"Det er ingen måte å overføre disse dataene på internett," sa EHT-prosjektforsker Dimitrios Psaltis, astronomiprofessor ved University of Arizona, på SXSW-arrangementet. "Det vi faktisk gjør er at vi tar harddiskene våre og vi FedEx dem fra sted til sted. Dette er mye raskere enn noen kabel du noensinne kan finne."
Dette bremser og kompliserer analysen, selvfølgelig. Data fra EHT-omfanget nær Sørpolen kunne for eksempel ikke komme seg ut av Antarktis før desember 2017, da det var varmt nok for fly å gå inn og ut, sa Marrone.
Det var også vanskelig å korrelere og kalibrere dataene, la han til. Og teamet tok stor vekt på dette arbeidet, gitt funnets betydningsfulle natur.
"Hvis du kommer til å komme med et stort krav om å avbilde et svart hull, må du ha store bevis, veldig sterke bevis," sa Doeleman på SXSW-arrangementet (som fungerte som forklaring på EHT-innsatsen, men kunngjorde ikke eventuelle resultater).
"Og på vårt prosjekt tenker vi ofte at folk som [Albert] Einstein, [Arthur] Eddington [og Karl] Schwarzschild ser på en slags måte over skuldrene våre," la han til, og refererte til fysikere som hjalp til med å pionere vår forståelse av sorte hull. "Og når du har armaturer som praktisk talt sjekker arbeidet ditt, vil du virkelig få det til."
Hva det hele betyr
EHT-prosjektet har to hovedmål, sa Psaltis: å avbilde en hendelseshorisont for første gang noensinne og å bidra til å avgjøre om Einsteins teori om generell relativitet trenger noen revisjoner.
Før Einstein fulgte med, ble tyngdekraften generelt sett på som en mystisk styrke på avstand. Men generell relativitet beskriver det som vridning av rom-tid: Massive gjenstander som planeter, stjerner og sorte hull skaper en slags sag i rom-tid, omtrent som en bowlingball ville gjort hvis den plasseres på en trampoline. Objekter i nærheten følger denne kurven og blir traktet mot den sentrale massen.
Generell relativitet har holdt seg utrolig godt gjennom århundret siden introduksjonen, og bestått hver test som forskere har kastet på den. Men EHTs observasjoner gir en annen rettssak, i et ekstremt område hvor spådommer kanskje ikke samsvarer med virkeligheten. Det er fordi astronomer kan beregne forventet størrelse og form på en hendelseshorisont ved å bruke generell relativitet, forklarte Psaltis.
Hvis den observerte silhuetten samsvarer med teoriinformerte simuleringer, "da hadde Einstein 100% rett," sa Psaltis. "Hvis svaret er nei, må vi finjustere teorien hans for å få den til å fungere med eksperimenter. Slik går vitenskapen."
Og vi lærte i dag at ingen justeringer er nødvendig, i det minste for øyeblikket: EHTs M87-observasjoner er i samsvar med generell relativitet, sa teammedlemmer. Arrangementshorisonten er nærmest sirkulær og er den "rette" størrelsen for et svart hull av den enorme massen.
"Jeg må innrømme, jeg var litt lamslått over at det stemte så tett med spådommene som vi hadde gjort," sa EHT-teammedlem Avery Broderick, University of Waterloo og Perimeter Institute for Theoretical Physics i Canada, under dagens nyhetskonferanse .
Slik grunntruting er selvfølgelig avgjørende for den vitenskapelige prosessen. Å gi bedre informasjon for å mate inn teorier og simuleringer vil sannsynligvis være et av EHTs største bidrag, sa Loeb.
"Å drive fysikk er en dialog med naturen," sa han. "Vi tester ideene våre ved å sammenligne dem med eksperimenter; eksperimentelle data er avgjørende."
De nye resultatene skal også hjelpe forskere med å få et bedre håndtak på sorte hull, sa han og andre forskere. For eksempel vil EHT-bilder sannsynligvis skinne betydelig lys på hvordan gass spiraler ned i et svart hulls maw. Denne akkresjonsprosessen, som kan føre til generering av kraftige stråler, er dårlig forstått, sa Loeb.
I tillegg kan formen på en begivenhetshorisont avsløre om et svart hull snurrer, sa Fiona Harrison fra California Institute of Technology, hovedetterforsker ved NASAs studium med svart hull Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) oppdrag.
"Vi har konkludert med dreining av svarte hull indirekte," sa Harrison, som ikke er en del av EHT-teamet, til Space.com. EHT-bilder gir "en direkte test, noe som er veldig spennende," la hun til.
EHTs data avslørte at M87-sorte hullet snurrer med klokken, sa teammedlemmer i dag.
Prosjektet skal også vise hvordan materie er fordelt rundt et svart hull, og EHT-observasjoner kan til slutt lære astronomer mye om hvordan supermassive sorte hull forme utviklingen av vertsgalaksen over lang tid, sier Harrison.
EHTs resultater stemmer også godt overens med resultatene fra Laserinterferometer gravitasjonsbølgebe observatorium (LIGO), som har oppdaget krusninger fra romtiden generert av sammenslåinger som involverer sorte hull bare noen få dusin ganger mer massiv enn solen.
"Til tross for at de varierer over en faktor på milliarder i masse, er kjente sorte hull i samsvar med en enkelt beskrivelse," sa Broderick i dag. "Svarte hull store og små er analoge på viktige måter. Det vi lærer av den ene [typen], gjelder nødvendigvis den andre."
Og i tilfelle du lurer på Skytten A *: EHT-teamet håper å få bilder av det supermassive sorte hullet snart, sa Doeleman i dag. Forskerne så på M87 først, og det er litt lettere å løse enn Skytten A * fordi det er mindre varierende over korte tidsskalaer, forklarte han.
Et nytt perspektiv?
Så er det den bredere appellen til de nylig utgitte bildene - hvordan det snakker med oss som ikke er astrofysikere.
Bidragene på denne arenaen kan være betydningsfulle, sa EHT-teammedlemmer og utenforstående forskere. Bilder kan endre måten vi tenker på oss selv og vår plass i universet, bemerket Marrone og siterer det berømte "Earthrise" -fotoet tatt av Apollo 8-astronauten Bill Anders i desember 1968. Dette bildet, som ga massene et glimt av planeten vår som det er virkelig - en ensom utpost av livet i et uendelig hav av mørke - er bredt kreditert for å bidra til å stimulere miljøbevegelsen.
Å se et svart liv i det virkelige liv - eller silhuetten derav - "er ting av science fiction," sa Harrison. Og vi har sett bare prosjektets første få bilder, la hun til: "De kommer bare til å bli bedre."
- Astronomer for å peppe inn i et svart hull for første gang med Event Horizon Telescope
- Dette enorme, svarte hullet snurrer på halvparten av lysets hastighet!
- 8 Forbløffende astronomimysterier
Mike Walls bok om leting etter fremmedliv, "Der ute"(Grand Central Publishing, 2018; illustrert av Karl Tate), er ute nå. Følg ham på Twitter @michaeldwall. Følg oss på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
