Et internasjonalt nettverk av radioteleskoper har produsert det første nærbildet noensinne av skyggen av et svart hull, noe forskere avslørte i morges (10. april). Samarbeidet, kalt Event Horizon Telescope, bekreftet flere tiår med spådommer om hvordan lys ville oppføre seg rundt disse mørke objektene, og satte scenen for en ny epoke med svart hulls astronomi.
"Fra en skala fra null til fantastisk, det var fantastisk," sa Erin Bonning, en astrofysiker og svart hullforsker ved Emory University som ikke var involvert i bildebehandlingen.
"Når det er sagt, var det det jeg forventet," sa hun til Live Science.
Kunngjøringen, drillet i omtrent halvannen uke i forveien, klarte å være både utrolig spennende og nesten fullstendig blottet for overraskende detaljer eller ny fysikk. Fysikken brøt ikke sammen. Ingen uventede trekk ved sorte hull ble avslørt. Selve bildet var nesten en perfekt match for illustrasjoner av sorte hull vi er vant til å se i vitenskap og popkultur. Den store forskjellen er at det er mye uskarpere.
Det var flere viktige spørsmål knyttet til sorte hull som forble uavklarte, men sa Bonning.
Hvordan produserer sorte hull de enorme jetflyene med varm, rask materie?
Alle supermassive sorte hull har evnen til å tygge opp nærliggende materie, absorbere det meste av det forbi begivenhetshorisontene sine, og spytte resten ut i verdensrommet i nær lysfart i brennende tårn astrofysikere kaller "relativistiske jetfly."
Og det sorte hullet i sentrum av Jomfru A (også kalt Messier 87) er beryktet for sine imponerende jetfly, spyring og stråling over hele rommet. Dens relativistiske jetfly er så store at de helt kan unnslippe den omkringliggende galaksen.
Og fysikere kjenner de brede strekene til hvordan dette skjer: Materialet akselererer til ekstreme hastigheter når det faller inn i det sorte hullets tyngdekraft, så slipper noe av det mens den beholder den tregheten. Men forskere er uenige om detaljene om hvordan dette skjer. Dette bildet og de tilhørende papirene har foreløpig ingen detaljer.
Å finne ut av dette, sa Bonning, vil være et spørsmål om å koble sammen observasjoner av Event Horizons Telescope - som dekker en ganske liten mengde plass - med de mye større bildene av relativistiske jetfly.
Mens fysikere ennå ikke har svar, sa hun, er det en god sjanse for at de kommer snart - spesielt når samarbeidet produserer bilder av det andre målet: det supermassive, sorte hullet Skytten A * i sentrum av vår egen galakse, som produserer ikke jetfly som Jomfru A. Sammenligning av de to bildene, sa hun, kan gi en viss klarhet.
Hvordan passer generell relativitet og kvantemekanikk sammen?
Når fysikere kommer sammen for å snakke om en virkelig spennende ny oppdagelse, kan du forvente å høre noen antyde at det kan være med på å forklare "kvantetyngdekraft."
Det er fordi kvantetyngdekraften er den store ukjente i fysikken. I omtrent et århundre har fysikere arbeidet med to forskjellige regelsett: Generell relativitet, som dekker veldig store ting som tyngdekraft, og kvantemekanikk, som dekker veldig små ting. Problemet er at de to regelbøkene direkte motsier hverandre. Kvantemekanikk kan ikke forklare tyngdekraften, og relativitet kan ikke forklare kvanteoppførsel.
En dag håper fysikere å knytte de to sammen i en storslått enhetlig teori, som sannsynligvis involverer en slags kvantegravitasjon.
Og før kunngjøringen i dag, var det spekulasjoner om at det kan omfatte et visst gjennombrudd i emnet. (Hvis den generelle relativitetens spådommer ikke hadde blitt utarbeidet i bildet, ville det ha flyttet ballen fremover.) Under en nyhetsbriefing fra National Science Foundation, Avery Broderick, en fysiker ved University of Waterloo i Canada, og en samarbeidspartner på prosjektet, antydet de slags svar kanskje komme.
Men Bonning var skeptisk til den påstanden. Dette bildet var helt overraskende fra et generelt relativitetsperspektiv, så det tilbød ingen ny fysikk som kan lukke gapet mellom de to feltene, sa Bonning.
Likevel er det ikke sprøtt at folk håper på svar fra denne typen observasjoner, sa hun, fordi kanten av et svart hulls skygge bringer relativistiske krefter inn i bittesmå kvante størrelser.
"Vi ville forvente å se kvantetyngdekraft veldig, veldig nær hendelseshorisonten eller veldig, veldig tidlig i det tidlige universet," sa hun.
Men i den fortsatt uskarpe oppløsningen av Event Horizons Telescope, sa hun, er det sannsynlig at vi ikke finner slike slags effekter, selv ikke med planlagte oppgraderinger.
Var Stephen Hawkings teorier like korrekte som Einsteins?
Fysikeren Stephen Hawkings største bidrag fra fysisk karriere til ideen var ideen om "Hawking-stråling" - at sorte hull ikke er sorte, men avgir små mengder stråling over tid. Resultatet var enormt viktig, fordi det viste at når et svart hull slutter å vokse, vil det begynne å sakte krympe seg fra energitapet.
Men Event Horizons Telescope bekreftet eller avkreftet ikke denne teorien, sa Bonning, ikke at noen forventet det.
Kjempesorte hull som den i Jomfru A, sa hun, avgir bare minimale mengder Hawking-stråling sammenlignet med deres samlede størrelse. Mens våre mest avanserte instrumenter nå kan oppdage de sterke lysene i begivenhetshorisontene sine, er det liten sjanse for at de noen gang vil drite ut den ultralydde gløden fra overflaten til et supermassivt svart hull.
Disse resultatene, sa hun, vil sannsynligvis komme fra de minste sorte hullene - teoretiske gjenstander med kort levetid så små at du kan omslutte hele hendelseshorisonten i hånden din. Med muligheten for observasjoner på nært hold, og mye mer stråling tilgjengelig sammenlignet med deres generelle størrelse, kan mennesker etter hvert finne ut hvordan de kan produsere eller finne en og oppdage dens stråling.
Så hva lærte vi egentlig av dette bildet?
Først lærte fysikere at Einstein hadde rett, nok en gang. Kanten av skyggen, så langt som Event Horizons Telescope kan se, er en perfekt sirkel, akkurat som fysikere på 1900-tallet arbeider med Einsteins ligninger av generell relativitet.
"Jeg tror ikke noen skal bli overrasket når enda en test av generell relativitet går," sa Bonning. "Hvis de hadde gått på scenen og sagt at generell relativitet hadde brutt, ville jeg falt av stolen min."
Resultatet med mer umiddelbare, praktiske implikasjoner, sa hun, var at bildet gjorde forskerne i stand til nøyaktig å måle massen til dette supermassive sorte hullet, som ligger 55 millioner lysår unna i hjertet av Jomfru A-galaksen. Den er 6,5 milliarder ganger mer massiv enn solen vår.
Det er en stor sak, sa Bonning, fordi det kan endre måten fysikere veier de supermassive sorte hullene i hjertene til andre, fjernere eller mindre galakser.
Akkurat nå har fysikere en ganske presis måling av massen til det supermassive sorte hullet i hjertet av Melkeveien, sa Bonning, fordi de kan se hvordan dens tyngdekraft beveger individuelle stjerner i nabolaget.
Men i andre galakser kan ikke våre teleskoper se bevegelsene til individuelle stjerner, sa hun. Så fysikere sitter fast med røffere målinger: Hvordan det sorte hullets masse påvirker lys som kommer fra forskjellige lag av stjerner i galaksen, eller hvordan dets masse påvirker lys som kommer fra forskjellige lag med fritt flytende gass i galaksen.
Men disse beregningene er ufullkomne, sa hun.
"Du må modellere et veldig komplekst system," sa hun.
Og de to metodene ender opp med å gi noe forskjellige resultater i hver galakse fysikere observerer. Men i det minste for det sorte hullet i Jomfru A, vet vi nå at en metode er riktig.
Sera Markoff, en astrofysiker fra University of Amsterdam og en samarbeidspartner om prosjektet, sa Sera Markoff, en astrofysiker fra University of Amsterdam og en samarbeidspartner om prosjektet.
Det betyr ikke at fysikere bare vil flytte engros til den tilnærmingen for å måle svart hullmasser, sa Bonning. Men det gir et viktig datapunkt for å foredle fremtidige beregninger.
