Вывучэнне чорных дзірак: Частка 3

Бачачы нябачнага

Чорныя дзіркі нябачныя, але астраномы распрацавалі шмат спосабаў разгледзець іх праз матэрыю, якая іх акружае

Частка 3 з чатырохсерыйных серый пра чорныя дзіркі. Частка 1 можна знайсці тут, а частка 2 - тут.

Піянерскі радыёастраном і прафесійны дзівак Гротэ Рэбер. У той час як яго адкрыцці фарміравалі наша разуменне астраноміі, ён адхіліў мноства сучасных тэорый пра Сусвет у карысць уласных уласных ідэй. (Аднак яго слоўнікавы запас пашыраны і далей, чым Грот.) Фота: Нацыянальная абсерваторыя па астраноміі радыё

У 1937 годзе глыбока дзіўны інжынер па мянушцы Гротэ Рэбер пабудаваў тэлескоп на жэрабе побач з домам маці ў Вітон, штат Ілінойс. Хатнія абсерваторыі не з'яўляюцца незвычайным, але праект Рэбера стаў першым тэлескопам, прызначаным для пошуку радыёхвалі з космасу, і ён быў толькі другім чалавекам у гісторыі, які іх знайшоў. Карл Янскі, першы радыёастраном, выпадкова выявіў астранамічныя радыёхвалі падчас працы над кароткахвалевымі радыёсувязямі.

Але Рэбер пастанавіў наўмысна вывучаць космас у радыё святле. Ён выявіў, што цэнтр Млечнага Шляху выпраменьваў мноства радыёхваліў і выявіў інтэнсіўную радыёкрыніцу ў сузор'і Цыгнуса. Да 1950-х гадоў астраномы выявілі мноства іншых радыёгалактык (так іх творча назвалі), якія выпраменьвалі вельмі магутныя радыёхвалі з маленькіх рэгіёнаў у цэнтры гэтых галактык.

Цыгнус А, самая ранняя вядомая радыёгалактыка. Чырвоныя долі - гэта радыя выкіды газу, выкінутага ў цэнтральную звышмасіўную чорную дзірку галактыкі (у цэнтры выявы). Рэнтген: NASA / CXC / SAO; Аптычныя: NASA / STScI; Радыё: NSF / NRAO / AUI / VLA

Як мы даведаліся ў частцы 2 гэтай серыі, крыніцы радыёхваль у Млечным Шляху і за яго межамі аказаліся звышмасіўнымі чорнымі дзіркамі: магутнымі гравітацыйнымі дынамамі ў мільёны ці мільярды разоў масы нашага Сонца. Як і ў дачыненні да адкрыццяў Рэбера, вывучэнне чорных дзірак было абумоўлена вынаходніцтвам і творчасцю. На самай справе кожны новы прагрэс у астраноміі прыводзіць да новых адкрыццяў пра чорныя дзіркі, а для вывучэння гэтых дзіўных аб'ектаў вынаходзяць новыя тэхналогіі.

Цэнтры галактык - хаатычныя джэм-сесіі зорак і іншых аб'ектаў, а значыць, у бачным святле - рэчы, якія бачаць нашы чалавечыя вочы - усё непразрыста і незразумела. З іншага боку, зоркі не выпраменьваюць шмат святла, таму іншыя крыніцы радыёхваль вылучаюцца - у тым ліку чорныя дзіркі.

Але бачыць цэнтр галактыкі не толькі пытанне стварэння больш радыётэлескопаў. Дазвол тэлескопа - наколькі добра ён бачыць краю і дэталі таго, на што ён паказвае - залежыць ад даўжыні хвалі святла і памеру тэлескопа. Чым больш даўжыня хвалі святла, тым большым павінен быць тэлескоп, каб дасягнуць такога ж дазволу, і нават звышмасіўныя чорныя дзіркі фізічна менш, чым у многіх зорак.

Каб пераадолець гэтую перашкоду, астраномы пачалі аб'ядноўваць сігналы з двух і больш тэлескопаў, каб стварыць віртуальны тэлескоп пад назвай інтэрферометр. Выкарыстоўваючы гэтыя сігналы для ўзмацнення адзін аднаго (праз канструктыўныя ўмяшанні), інтэрферометры дасягаюць значна большага дазволу, чым любы індывідуальны інструмент. У пачатку 1970-х Брус Балік і Роберт Браўн выкарыстоўвалі інтэрферометр, зроблены з пары радыётэлескопаў у абсерваторыі Зялёнага банка ў Заходняй Вірджыніі, каб зрабіць першае выразнае назіранне за чорнай дзіркай у цэнтры нашай галактыкі.

Яньскі вельмі вялікі масіў (VLA) у Нью-Мексіка - самы вядомы радыё-інтэрферометр. Ён складаецца з 27 радыётэлескопаў, сем з якіх бачныя тут. Разам тэлескопы дзейнічаюць як адзін велізарны тэлескоп, які забяспечвае радыёздымкі высокага дазволу розных аб'ектаў у Сусвеце. На здымку: Мэцью Р. Францыск

Але гэты тып назірання не мог нам дакладна сказаць, наколькі масіўная чорная дзірка, толькі што яна існуе. З 1995 года дзве групы астраномаў на чале з Рэйнхардам Генцэлем у Германіі і Андрэа Гез у ЗША пачалі шэраг назіранняў з выкарыстаннем інфрачырвоных інтэрферометраў. Хоць чорная дзірка цьмяная ад інфрачырвонага святла, астраномы выдзелілі некалькі зорак, якія арбітавалі побач з ёй. Зоркі рухаюцца досыць хутка, каб дазволіць Гезе і яе калегам адсочваць, як далёка яны рухаюцца з года ў год.

У выніку яны могуць узнавіць цэлыя арбіты для некалькіх зорак. Карыстаючыся гэтымі дадзенымі і крыху змененай версіяй раўнання, упершыню адкрытым Іаганесам Кеплерам у 17-м стагоддзі, яны падлічылі, што чорная дзірка Млечнага Шляху прыблізна ў 4 мільёны разоў перавышае масу Сонца. (Хоць гэта і выглядае масіўна, гэта толькі сярэдняя вага звышмасіўных стандартаў чорнай дзіры.)

Акрамя таго, каманда Геза знайшла адну слабую зорку, якая набліжаецца да чорнай дзіркі на адлегласці прыблізна ў 260 разоў больш за арбіту Зямлі, а значыць, чорная дзірка павінна быць фізічна значна меншай. Паводле агульнай адноснасці, чорная дзірка Млечнага Шляху мела б дыяметр не больш за 24 мільёны кіламетраў. Для параўнання, дыяметр Сонца складае 1,4 мільёна кіламетраў, а арбіта Зямлі - 30 мільярдаў кіламетраў, таму гэтая велізарная чорная дзірка лёгка змесціцца ўнутры нашай Сонечнай сістэмы - і мы спрабуем убачыць яе з паўдарогі праз галактыку.

Арбіты некалькіх зорак каля звышмасіўнай чорнай дзіркі Млечнага Шляху, намечаныя з 1995 па 2012 год. Выява: Keck / UCLA Galactic Center Group

Маючы больш чым два дзесяцігоддзі дадзеных і яшчэ шмат гадоў, у астраномаў будзе дастаткова інфармацыі, каб убачыць уздзеянне моцнай гравітацыі чорнай дзіры на арбіты гэтых зорак. Гэта новы спосаб праверкі агульнай адноснасці - тэорыя гравітацыі, якая апісвае чорныя дзіркі. Хоць мала хто сумняваецца, што мы ўбачым вялікія адхіленні ад прагнозаў, усё ж ёсць невялікі шанец знайсці нешта новае і нечаканае.

Самым праўдзівым тэстам тэорыі было б убачыць саму чорную дзірку. Вядома, самі чорныя дзіркі нябачныя, але, як мы даведаліся ў частцы 2 гэтай серыі, справа, якую яны выцягваюць на арбіту, свеціцца вельмі ярка. Чым бліжэй гэта справа да гарызонту падзей - мяжы, якая аддзяляе ўнутраную частку чорнай дзіркі, адкуль нічога не можа вырвацца, ад астатняй часткі Сусвету - тым ярчэй свячэнне. Акрамя таго, моцная гравітацыя чорнай дзіры скручвае шляхі святла, што робіць выкіды яшчэ больш інтэнсіўнымі.

У выніку чорная дзірка павінна з'явіцца ў выглядзе чорнага круга альбо авальнай формы (у залежнасці ад хуткасці кручэння), акружанай светлавым кольцам. Але каб убачыць гэта, нам патрэбна надзвычай высокая дазвол. Гэта мэта тэлескопа Event Horizon (EHT), велізарнага інтэрферометра, які складаецца з дзясяткаў тэлескопаў, уключаючы тэлескоп Паўднёвага полюса ў Антарктыдзе, Вялікі міліметровы масіў Атакама (ALMA) у Чылі, субміліметровы тэлескоп у Арызоне і многія іншыя. EHT прызначаны для ахопу як мага большай часткі планеты для эфектыўнага стварэння абсерваторыі памеру Зямлі.

Вясной 2017 года тэлескопы EHT накіравалі ў цэнтр Млечнага Шляху каля двух тыдняў. Калі я гэта пішу, астраномы апрацоўваюць велізарную колькасць сабраных дадзеных, і, спадзяюся, яны прадставяць свету першае малюнак чорнай дзіркі. З дапамогай гэтых дадзеных мы дакладна даведаемся, наколькі вялікая чорная дзірка, і мы нават зможам атрымаць інфармацыю пра тое, наколькі хутка яна круціцца і ў якім кірунку. Гэта такая ж цікавая перспектыва, як і любая, бо мы даведаліся, што існуюць чорныя дзіркі.

Як магутны, EHT з'яўляецца дастаткова добрым, каб развязаць звышмасіўную чорную дзірку ў Млечным Шляху і, магчыма, адну ці дзве іншыя галактыкі. Іншыя чорныя дзіркі занадта малыя, занадта далёкія, альбо абодва. Але ёсць і іншыя спосабы даведацца пра тое, што адбываецца на гарызонце падзей.

Гравітацыйныя хвалі вырабляюцца, калі два аб'екты круцяцца на адным крузе. У большасці выпадкаў гэтыя хвалі недастаткова магутныя, каб іх выявіць, але калі адзін або абодва аб'екта маюць чорныя дзіркі, шмат энергіі можа выпраменьвацца як гравітацыйнае выпраменьванне. Першыя тры выяўлення пры дапамозе лазернага інтэрферометра Гравітацыйна-хвалевая абсерваторыя (LIGO) уключалі ў сябе чорныя дзіркі, якія круціліся вакол адзін аднаго з усё хуткімі тэмпамі, пакуль яны не сутыкнуліся і не зліліся ў адну новую чорную дзірку.

Чорныя дзіркі LIGO былі максімум у некалькі дзясяткаў разоў большай за масу нашага сонца. Але астраномы лічаць, што таксама павінны сутыкнуцца звышмасіўныя чорныя дзіркі, і вось у Сусвеце могуць утварыцца самыя масіўныя чорныя дзіркі. Гравітацыйныя хвалі, атрыманыя супермасіўнымі парамі чорных дзірак, маюць занадта вялікія даўжыні хваляў, каб іх можна было бачыць на LIGO.

Тэлескоп Зялёнага берага дыяметрам 100 метраў - самы вялікі радыётэлескоп, які можна накіраваць у любы бок. Гэта частка Паўночнаамерыканскай абсерваторыі гравітацыйных хваль (NANOGrav), якая выкарыстоўвае ўспышкі святла ад пульсараў для выяўлення пар звышмасіўных чорных дзір. Фота: NRAO / AUI / NSF

Гэта вяртае нас да радыётэлескопаў. Астраномы зразумелі, што гравітацыйныя хвалі будуць уздзейнічаць на пульсары - надзвычай хутка якія верцяцца ядра мёртвых зорак. Паколькі яны прагназуюць імпульсы радыё-святла, якія паступаюць так прадказальна, пульсары - гэта адна з самых дакладных гадзін у космасе. Выкарыстоўваючы пары пульсараў, падзеленых мноствам светлавых гадоў у галактыцы, радыёастраномы могуць шукаць прыкметы гравітацыйных хваль, якія ўплываюць на імпульсы.

Гэтыя назіранні, вядомыя як пульсарныя масівы часу, дазваляюць вызначыць, колькі звышмасіўных чорных дзір арбітуюць. Гэта больш павольны і менш хуткі працэс, чым LIGO, але цалкам верагодна, што пульсарны масіў часу - напрыклад, Паўночнаамерыканская абсерваторыя для гравітацыйных хваль Нанагерц (NANOGrav) убачыць свой першы сігнал гравітацыйнай хвалі з арбітальнай звышмасіўнай чорнай дзіркі праз некалькі гадоў.

Па меры ўдасканалення сваіх назіранняў LIGO і іншыя гравітацыйныя хвалі будуць назірацца за вымярэннем эфектаў гравітацыі ў маштабе гарызонтаў падзей. У апошняй партыі гэтай серыі я разбяруся, чаму навукоўцаў цікавіць фізіка гарызонтаў падзей і што гэта можа сказаць нам пра прыроду самой фізікі.