Den største gjenstanden på nattehimmelen vår - langtfra! - er usynlig for oss. Objektet er Super-Massive Black Hole (SMBH) i sentrum av Melkeveis galaksen, kalt Skytten A. Men snart har vi kanskje et bilde av Skytten A's hendelseshorisont. Og det bildet kan være en utfordring for Einsteins teori om generell relativitet.
Ingen har noensinne sett et sort hulls hendelseshorisont. Det intense gravitasjonstrekket forhindrer at noe, til og med lys, slipper ut. Arrangementshorisonten er poenget med ingen retur. Uansett, intet lys og ingen informasjon kan unnslippe. Men vi kan være i nærheten av å få et bilde av Skytten As hendelseshorisont, takket være Event Horizon Telescope (EHT).
EHT er et internasjonalt samarbeid designet for å undersøke de umiddelbare omgivelsene til et svart hull. Det er ikke et teleskop, men snarere et koblet system med radioteleskoper over hele kloden som alle jobber sammen ved hjelp av interferometri. Ved å måle den elektromagnetiske energien fra området rundt det sorte hullet med flere radioskåler flere steder, kan noen av egenskapene til kilden avledes.
Forskere med EHT håper at deres observasjoner etter hvert vil gi bilder av de intense gravitasjonseffektene som vi forventer å se nær det sorte hullet. De håper også å oppdage noe av dynamikken på jobben nær hullet ettersom kretsende materie i akkretjonsdisken når relativistisk hastighet.
EHT-prosjektet samlet inn data om Skytten A, og ett annet svart hull kalt M87 i sentrum av Virgo A-galaksen, over en fireårsperiode. De fire årene ble avsluttet i april 2017, men teamet på 200 forskere og ingeniører analyserer fortsatt dataene. I mellomtiden har teamet gitt ut datamodellbilder av det de håper å se.
Bildet virker kanskje ikke så mye, men det er betydelig. Det tilsvarer å lese en avisoverskrift på månen mens du står på jorden. Bildet kan hjelpe oss med å svare på forvirrende spørsmål angående sorte hull:
- Hvilken rolle spilte sorte hull i dannelsen av galakser?
- Hvordan ser lys og materie ut når de faller mot et svart hull?
- Hva er strømmen av energi som skyter ut av svarte hull laget av?
Det er også en sjanse for at bildet EHT produserer av Skytten A vil bety at Einsteins teori om generell relativitet må oppdateres. (Selv om det vanligvis er en dårlig idé å satse mot Einstein.)
Black Holes and the Event Horizon
Svarte hull er i utgangspunktet en stjernekropp. Når en veldig massiv stjerne brenner gjennom alt drivstoffet, kollapser den til et ekstremt tett punkt, eller singularitet. Det sorte hullet har utrolig kraftig gravitasjonstrekk, som trekker gass og støv mot det. En gang hvert 10.000 år forbruker Skytten A til og med en stjerne.
Arrangementshorisonten er som et skall rundt det svarte hullet. Når noen sak - eller til og med lys - når hendelseshorisonten, er det spillet over. Det sorte hullet vokser i størrelse når det spiser materie, og hendelseshorisonten utvides også.
Skytten A, vårt helt eget Super-Massive Black Hole (SMBH), er massivt. Den har en masse 4 millioner ganger større enn sola. Men likevel er det ikke så stort sammenlignet med andre SMBH-er. Det andre SMBH i EHT-prosjektet er langt større, med en masse på 7 milliarder ganger solen.
EHT vil produsere et bilde av hendelseshorisonten ved å studere området rundt det sorte hullet. Noe skjer med materialet når det faller ned i det sorte hullet. Den danner en aksjonsskive med virvlende gass og støv som i utgangspunktet er i et holdemønster til det blir sugd inn i hullet. Det materialet hastigheter opp til relativistiske hastigheter, som betyr nær lysets hastighet. Når det skjer blir materialet overopphetet, og det avgir energi.
Men det sorte hullet er så kraftig gravitasjonsmessig at det bøyer lyset i et fenomen som kalles gravitasjonslinsing. Denne linse skaper en mørk region som kalles skyggen av det sorte hullet. I følge teori skal hendelseshorisonten være omtrent 2,5 ganger større enn skyggen. Så når forskere først har fått et bilde av skyggen, vet de størrelsen på hendelseshorisonten. Størrelsen på hendelseshorisonten er proporsjonal med det sorte hullets masse. Så for Skytten A, bør det være omtrent 24 millioner km (15 millioner miles) i diameter.
Så det vil ikke være noen bilder av selve det sorte hullet, men det vil være bilder av skyggen som det sorte hullet kaster. Vitenskapelig sett er det et stort sprang i vår forståelse av sorte hull. Og i tilfelle det er noen tvil om eksistensen av sorte hull, vil bildet av skyggen gi solid bevis på at sorte hull faktisk er der ute.
EHT og jetflyene
Til tross for Skytten A sin enorme størrelse, er den liten på himmelen. Det er altfor lite til at et enkelt teleskop kan se. Det er grunnen til at EHT ble implementert. Det kombinerer 7 separate radioteleskoper rundt om i verden til ett stort virtuelt teleskop ved hjelp av en teknikk som kalles Very Long Baseline Interferometry (VLBI), noe astronomimusikere er kjent med. Det virtuelle teleskopet har mye større oppløsningsmakt enn et enkelt omfang, og lot astronomer studere området nær Sgr. EN.
I løpet av en periode på en uke i april i 2017, pekte EHT-teamet alle syv ‘scopes’ mot Sgr A, og syv atomklokker registrerte tidspunktet for ankomsten av signaler ved hvert teleskop. Ved å studere og kombinere signalene kan forskere lage et bilde av Sgr A. Dette er en tidkrevende prosess som pågår.
De energiske jetflyene som strømmer ut av et svart hulls nærhet er av spesiell interesse for forskere. Saken som virvler rundt i et sverdhulls akkresjonsdisk varmer opp til milliarder grader. Noe av det kommer inn i det sorte hullet, men ikke det hele.
De energiske jetflyene er den delen som slipper unna akkresjonsdisken. De reiser nær lysets hastighet i titusenvis av lysår. Forskere vil vite mer om dem.
Når det gjelder Sgr. A, vi vet ikke om det er jetfly. Det har ikke vært veldig aktivt de siste tiårene, så det er kanskje ingen jetfly. Men hvis de er der, vil EHT hente radiosignaler der. Da kan vi få svar på noen grunnleggende spørsmål om jetflyene:
- Hvordan begynner de?
- Hvordan akselererer de til relativistiske hastigheter?
- Hvordan holder de seg tett fokusert?
- Hva er de egentlig laget av?
Er Einsteins teori om generell relativitet i problemer?
Sannsynligvis ikke. Men det er en sjanse.
Det meste av solsystemet vårt er et ganske prosaisk, arbeidssted. Og det er her de fleste av våre observasjonsbevis som støtter generell relativitet, kommer fra. Men regionen rundt et svart hull er ikke et normalt nabolag.
Forholdene der er ekstreme. Intens tyngdekraft, overopphetede stråler av materiale som beveger seg i nærheten av lysets hastighet, og hendelseshorisonten. Men med hensyn til generell relativitet, handler det mest om tyngdekraft og lys.
Generell relativitet spår at tyngdekraften i det sorte hullet vil kurve romtiden og trekke alt mot det, inkludert lys. Dataene samlet inn av EHT vil gi målinger av dette fenomenet som kan sammenlignes med Einsteins spådommer. Hvis dataene samsvarer med spådommer, vinner Einstein igjen.
Generell relativitet gir en annen forutsigelse: skyggen som støpes av akkresjonsdisken skal være sirkulær. Hvis det ikke er sirkulært, og er mer en eggformet, er ikke formlene i General Relativity helt nøyaktige.
John Wardle er en astronom som har studert sorte hull i flere tiår, da de fremdeles bare var en teoretisk konstruksjon. Han er sterkt involvert i EHT-prosjektet. Wardle mener at generell relativitet vil oppfylle denne testen, og at Einstein vil vinne igjen. Men hvis generell relativitet mislykkes i denne testen, vil vi finne oss i en veldig vanskelig og underlig situasjon.
"Da vil vi være i en alvorlig rett jakke fordi du ikke kan gjøre endringer som roter opp alle de andre bitene som fungerer," sa Wardle. "Det ville være veldig spennende."
- Brandeis University Press Release: "Hvordan ser et svart hull ut?"
- Event Horizon Telescope
- Wikipedia-oppføring: interferometri
- Wikipedia-oppføring: Event Horizon
