Ang mga Astronomo ay Lumuhod sa Gilid ng Black Hole ng Milky Way


Para sa una oras, naranasan ng mga siyentipiko ang isang bagay na lumilibot sa itim na butas sa gitna ng ating kalawakan. Iminumungkahi ng kanilang mga sukat na ang mga bagay na ito-marahil ay gawa sa mga blobs ng plasma-ay umiikot hindi malayo mula sa pinakaloob na orbita na pinapayagan ng mga batas ng pisika. Kung gayon, ito ay nagbibigay sa mga astronomo ng kanilang pinakamalapit na pagtingin sa espasyo ng salamin sa silid-oras na pumapaligid sa isang itim na butas. At sa paglipas ng panahon, ang mga karagdagang obserbasyon ay magpapahiwatig kung ang mga kilalang batas ng physics ay tunay na naglalarawan kung ano ang nangyayari sa gilid ng kung saan ang oras-time break down.

Quanta Magazine


larawan ng may-akda

Tungkol sa

Ang orihinal na kuwento ay na-print na may pahintulot mula sa Quanta Magazine, isang editorially independent publication ng Simons Foundation na ang misyon ay upang mapahusay ang pampublikong pang-unawa sa agham sa pamamagitan ng pagsakop sa mga pagpapaunlad ng pananaliksik at mga uso sa matematika at sa mga pisikal at buhay na agham.

Alam na ng mga astronomo na ang Milky Way ay nagho-host ng gitnang itim na butas, na tumitimbang ng mga apat na milyong sun. Mula sa Earth, ang itim na butas na ito ay isang siksik at maliit na bagay sa konstelasyon Sagittarius, tanging ang malaki sa kalangitan bilang isang punong presa sa Los Angeles kapag tiningnan mula sa New York. Ngunit ang interstellar gas ay kumikislap habang ito ay pumapasok sa itim na butas, na nagmamarka ng madilim na puso ng kalawakan na may isang solong, mahina na punto ng infrared na ilaw sa mga astronomya na imahe. Tinawag ito ng mga astronomo na Sagittarius A * (binibigkas na "A-star").

Sa loob ng 15 taon, pinanood ng mga mananaliksik ang puntong iyon na kumislap-at nagtaka kung bakit. Paminsan-minsan, ito ay naglalabas ng 30 ulit na mas maliwanag sa infrared na ilaw at pagkatapos ay nahuhulog, sa loob lamang ng ilang minuto. Gayunpaman, ngayon, isang koponan na nakabase sa Max Planck Institute para sa Extraterrestrial Physics sa Garching, Alemanya, ay hindi lamang tumutukoy sa liwanag ng speck kundi sa posisyon nito na may katumpakan. Kapag nag-flares ito, gumagalaw din ito ng paikot sa kalangitan, sinusunod ang isang maliit na bilog, nakita nila.

"Maliwanag na nakikita nila ang paglipat," sabi ni Shep Doeleman, isang astronomo sa Harvard-Smithsonian Center para sa Astrophysics na hindi nakikilahok sa tinatawag niyang "pambihirang" mga sukat ng koponan, na inilathala sa linggong ito sa Astronomiya at Astrophysics. "Ano ito, ay hindi malinaw."

Ngunit ang isang partikular na interpretasyon ay nakatayo, ang koponan ay nagpapaliwanag. Ang wobbling na ito ay malamang na nagmumula sa "mga hot spot," na kumikislap na mga bloke ng magnetically heated plasma na nag-oorbit sa ibabaw ng black hole's gaping maw sa halos isang-ikatlo ng bilis ng liwanag. Tulad ng mga hot spots na ito, ang napakalawak na puwang ng gravitational pwersa ng itim na puwang ay nagpapaikut-ikot sa espasyo-oras mismo sa isang bagay na tulad ng isang lente, ang isa na kumikislap ng mga beacon ng ilaw sa buong mga kosmos tulad ng galactic searchlight beam. Ang ideya, unang iminungkahi noong 2005 ni Avery Broderick, ngayon sa Perimeter Institute of Theoretical Physics at sa University of Waterloo sa Canada, at Avi Loeb ng Harvard University, ay magpapaliwanag kung bakit lumilitaw ang black hole na sumiklab.

"Tila tulad ng nakuha nila ang talagang nakakapanabik dito," idinagdag ng astronomer na si Andrea Ghez, isang matagal na kakumpitensya sa pangkat ng European sa University of California, Los Angeles.

Kung ang mga umiikot na flare na ito ay dahil sa mga hot spot sa paraan na naisip ni Broderick at Loeb, ang karagdagang mga flare ay makakatulong na ihayag ang "spin" ng black hole, isang sukatan ng pag-ikot nito. At maaari din itong magbigay ng isang bagong paraan upang sundutin at idikin ang teorya ni Einstein ng pangkalahatang kapamanggitan sa flexed space-time sa bibig ng isang itim na butas.

"Sa paminsan-minsan ay tama ang ginagawang para sa lahat ng iba pang mga pagkakataon nang ako ay naka-scratched aking ulo sa pisara," sabi ni Broderick. "Ito ang dahilan kung bakit napakasaya ang isang siyentipiko."

Ang liwanag mula sa apat na teleskopyo sa Napakalawakang teleskopyo na array sa Cerro Paranal, Chile, ay maaaring pinagsama upang lumikha, sa katunayan, isang solong, napakalaking teleskopyo.

ESO

Beam ng Gravity

Mula noong 1990, ang grupo ni Ghez sa UCLA at ang European team, na pinangunahan ni Reinhard Genzel ng Max Planck Institute para sa Extraterrestrial Physics sa Garching, Alemanya, ay gumamit ng mga diskarte na makapagpapalakas sa mga orbit ng mga bituin sa paligid ng galactic center. Noong maaga ng tag-init na ito, inilathala ng pangkat ni Genzel ang isang sukatan kung paano nakakaapekto ang pangkalahatang kapamanggitan sa liwanag ng isang bituin na lumilipas na malapit sa black hole; ang isang katulad na papel ni Ghez's team ay kasalukuyang sinusuri. "Ito ay isang kapansin-pansing sandali, sa mga tuntunin ng kakayahan ng mga eksperimento upang simulan ang pag-usisa kung paano gumagana ang gravity malapit sa isang napakalaking black hole," sabi ni Ghez.

Ngunit mula noong nakaraang taon, ang European team ay may natatanging tool-ang kapangyarihan ng apat na giant teleskopyo na nagtutulungan sa isang proyektong tinatawag na GRAVITY. Sa isang tipikal na gabi, ang apat na 8 metrong teleskopyo sa Southern Southern Observatory sa Cerro Paranal, na tinatanaw ang disyerto ng Atacama ng Chile, sa iba't ibang direksyon sa kalangitan. Pinagsasama sila ng GRAVITY gamit ang isang pamamaraan na tinatawag na interferometry na pinagsasama ang mga obserbasyon mula sa maraming mga teleskopyo upang makagawa ng mga artipisyal na larawan na tanging isang hindi gaanong nakagagawa ng tunay na tunay na teleskopyo.

Upang gawin ito sa mga infrared na haba ng daluyong-malapit sa nakikita ng mga mata ng tao-nangangailangan ng blending light sa real time upang maiwasan ang pagkawala ng napakahalagang impormasyon. Kaya noong Hulyo 22, nang mag-flared ang Sagittarius A *, ang ilaw na nakolekta ng bawat saklaw ay naglakbay sa isang pag-setup na tulad ng Rube Goldberg ng mga salamin at fiber optic cable na sinubaybayan ang isang landas na may kabuuang haba na nag-iiba nang hindi hihigit sa 1 / 1,000 ang lapad ng isang buhok, sinabi Frank Eisenhauer, isang pisisista sa Max Planck sa Garching at ang pinuno ng GRAVITY. Pagkatapos, sa loob ng 3-toneladang freezing toolbox ng optical tech, ang mga light waves na ito ay magkasama, ang kanilang mga peak at troughs pagsasama at pagkansela upang makabuo ng mga sukat ng posisyon na may imposibleng crispness.

Kahit na pagkatapos nito, wala pang mataas na resolution ang GRAVITY upang gumawa ng mga pelikula ng tatlong flare na nakita nito-ang isa sa Hulyo 22 at dalawa pa. Ngunit ang mga sukat nito sa mga malabong speck wiggling sa kalangitan ay nangangako na paliitin ang maraming opsyon ng kung ano ang nagiging sanhi ng Sagittarius A * sa flicker sa unang lugar.

Kung maaari mong makita ang mga ito malapit na, ang mga flares ay maaaring lumps ng mainit plasma shot palabas mula sa itim na butas, sa jet ng materyal na nakatutok at inilunsad ang layo sa pamamagitan ng magnetic field. O maaari silang maging mainit na kumpol sa malawak na Frisbee ng gas na dumadaloy sa black hole, o iba pang posibleng mga istruktura ng disk tulad ng spiral arms. Sa lahat ng mga kaso na ito, ang flaring at dimming ng liwanag ay darating mula sa materyal na mismo kumikinang na mainit, pagkatapos paglamig off.

Ang ideya ni Broderick at Loeb ay nagsasangkot din ng mga blobs ng plasma na pinapansin ng init. Sila ay magiging malapit sa itim na butas, hindi katulad ng kung ano ang mangyayari sa isang solar flare. Sa itaas ng ibabaw ng ating araw, ang isang briar patch ng mga magnetic field ay magkakasamang magkakasama, na nagsusuot ng mga flares ng pinainit na plasma kapag ang mga patlang ay lumilipad sa mga bagong hugis. Ang isang bagay na katulad ng maaaring mangyari sa gas sa paligid ng isang itim na butas, na kung saan ay nagho-host din ng malakas, gusot magnetic field.

Gayunpaman, sa kaso na ito, ang modulasyon sa liwanag ay darating hindi mula sa patak mismo kundi mula sa orbes ng patak. Habang nililipol ito sa isang malaking higanteng itim na butas, ang bingkong espasyo-oras na hinulaang ng pangkalahatang kapamanggitan ay tumututok sa liwanag ng mainit na lugar sa isang sinag. At kung ang sinag na iyon ay umalis sa buong Lupa, susukatin natin ang black hole flickering. "Ang itim na butas ay katulad ng lens na ito ng parola na nagdudulot ng bagay na ito sa flash sa amin habang lumilibot ito," sabi ni Broderick.

Kung ang mga jet ang nagdudulot ng pagkutitap ng itim na butas, ang paggalaw na ito ay magiging linear, habang ang mga bloke ay naglakbay palabas at pinalamig, sinabi ni Eisenhauer. Kung ang mga kumpol sa disk sa paligid ng itim na butas ay may pananagutan, ang paggalaw ay hindi mapupunta sa anumang partikular na pare-parehong direksyon. Ngunit ang pabilog na kilusan ay sumusuporta sa pag-orbiting ng mga hot spot, ang koponan ay nag-uudyok.

"May isang partikular na katotohanang nagpapahirap sa akin na magtiwala sa resulta na ito," sabi ng astrophysicist na si Gunther Witzel ng Max Planck Institute para sa Radio Astronomy sa Bonn, na nagtrabaho sa mga galactic center team sa magkabilang panig ng Atlantic. Natagpuan din ng GRAVITY na ang ilaw na ipinapalabas sa paglipas ng paglipat sa polariseysyon, kasunod ng parehong magaspang na oras ng panahon bilang kilalang orbital motion. Naaangkop din iyan. Ang liwanag na ibinubuga ng isang mainit na lugar ay polarized. Habang naglakbay ang lugar sa pamamagitan ng bingkong espasyo-oras, ang polariseysyon nito ay mag-twist sa buong orbit nito.

Para sa astrophysicists, ang sulyap na ito sa plasma sa ilalim ng mga natatanging kalagayan ay kagiliw-giliw sa at ng kanyang sarili. "Kami ay may isang ganap na bagong kapaligiran, na lubos na hindi kilala," sabi ni Nico Hamaus, isang kosmologo sa Ludwig Maximilian University sa Munich, na binuo din ang unang teorya ng hot spot. "Iyan ang dahilan kung bakit may mga hindi malinaw na ideya kung ano ang nangyayari."

Gayunpaman, ngayon, ang mga teoriya ay umaasa na ang mga mainit na lugar ay maaaring magningning ng isang malupit na lampara sa silid ng pagtatanong sa teorya ng gravity mismo ni Einstein.

Binabasa ang Horizon

Isaalang-alang ang isang paglalakbay sa isang itim na butas. Habang papalapit ka, sinasabi ng mga sikat na account, mayroon kang isang huling pagkakataon upang i-back-ang abot-tanaw ng kaganapan na nagmamarka sa gilid ng itim na butas. Ngunit marahil isang mas mahusay na lugar upang muling isipin ang iyong diskarte ay mas maaga, sa kung ano ang tawag ng astrophysicists ang kaloob-looban matatag na pabilog orbit (ISCO). Ang mga mainit na lugar sa paligid ng itim na butas sa gitna ng kalawakan tila sa orbita lamang ng kaunti sa labas ng hangganan na ito.

Na ang gayong orbita ay isang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga teorya ng gravity ni Newton at Einstein. Sa Newtonian gravity, maaari mong orbita ang isang bagay na mas malapit hangga't gusto mo, sa kondisyon na patuloy mong pagdaragdag ng iyong bilis. Ngunit sa view ng Einstein, ang rotational enerhiya ay summon ng higit na grabidad. Sa isang distansya, ang pagpunta sa mas mabilis ay mapabilis ang iyong pagkahulog. "Kung ang itim na butas ay ang alulod kung saan nawawala ang mga bagay," sabi ni Loeb sa Harvard, "ang pinakaloob na pabilog na orbit ay isang uri ng lababo."

Si Reinhard Genzel, isang astrophysicist na nakabase sa Max Planck Institute para sa Extraterrestrial Physics sa Garching, Alemanya, ay gumagamit ng apat na teleskopyo sa array ng Napakalaking Teleskopyo upang pag-aralan ang lugar sa paligid ng black hole sa gitna ng Milky Way.

Max Plank Institute for Physics

Sa Loeb, isang ilaw na pinagmulan na lumilipad sa paligid ng nakamamatay na rim na ito ay regalo mula sa Mother Nature. Ang mass ng itim na butas at ang bilis ng pag-ikot nito ay tumutukoy kung saan ang ISCO ay, at kung gaano katagal ang isang hot spot ay mag-orbit sa isang ibinigay na radius. Sa kabila ng masa at pag-ikot, ang pangkalahatang relativity ay nagtatago na walang ibang tumutukoy sa kung paano ang isang bagay ay nag-orbit ng astrophysical black hole. Ang dalawang halaga na ito ay dapat lamang ang tanging katangian.

Ghez at Genzel ang nagtatag ng timbang na ito ng partikular na itim na butas. At habang hindi nila maaaring kalkulahin ang pag-ikot nito, ang mga kasunod na mga flare, lalo na ang mga mas maliwanag, ay dapat tumulong sa kuku.

Ang pag-ikot ng itim na butas ay naglalagay ng puwang sa paligid nito, binabago kung gaano katagal tumatagal ang mga kalapit na bagay sa orbita. Tulad ng GRAVITY bumuo ng isang catalog ng mga flares, probing kung gaano katagal sila dadalhin sa orbit sa iba't ibang mga radii sa paligid ng itim na butas, sila ay magagawang upang ipahiwatig kung ano ang itim na butas ay magsulid.

Siyempre, na ipagpapalagay na ang pangkalahatang kapamanggitan ay tama, at ang mga orbit ng mga bagay sa paligid ng isang itim na butas ay tinutukoy lamang sa pamamagitan ng mass at spin ng itim na butas. Kung ito ay lilitaw na may iba pang nangyayari-na may iba pang salik na nakakaapekto sa mga orbit na ito-maaaring ipahiwatig na ang teorya ni Einstein ay nangangailangan ng tune-up.

Nakalipas na, "mayroong isang mas kapana-panabik na pagkakataon sa abot-tanaw," sabi ni Broderick. "Kung patawarin mo ang pun."

Ang susunod na kapit-bahay-medyo literal-dapat magmula sa Kaganapan ng Horizon Telescope, o EHT, isang hiwalay na pagsisikap na ngayon ay nagsisikap na lutasin ang espasyo-oras mismo sa gitna ng gitnang black hole ng Milky Way. Ang EHT team ay kasalukuyang nag-crunching sa pamamagitan ng kanilang data, na may pag-asa na mag-publish sa isang punto sa 2019, sinasabi nila.

Ang EHT ay namamalagi rin sa matinding pananaw nito sa pamamagitan ng interferometry. Ngunit nagpapatakbo ito sa mga wavelength ng radyo, isang libong beses na mas mahaba kaysa sa mga infrared emission GRAVITY na bakas. At ang mga bahagi ng obserbatoryo nito ay sumasaklaw sa buong mundo, hindi lamang isang bundok sa Chile. Habang umiikot ang Earth, ang mga obserbatoryo na ito ay nagwawalis sa espasyo, nangongolekta ng higit pang impormasyon.

Habang nasusukat ng GRAVITY ang posisyon ng itim na butas sa katumpakan na katumpakan tuwing 30 segundo sa panahon ng isang flare, ang EHT ay naglalayong magkaiba ang isang: isang pang-exposure na larawan ng mga radio wave na nakikipaglaban sa ISCO, sa paligid ng gilid ng itim na butas.

Ngunit ang mga hot-spotlike wobbles na nahanap na GRAVITY ay nagbibigay ng isang bagong pagkakataon. "Kung madalas mangyari ang mga pangyayaring ito, at mukhang ginagawa nila, magandang balita iyan para sa lahat," sabi ni Doeleman sa Harvard, na namamahala sa EHT.

"Maaari naming subukan ang parehong bagay, sa isang napaka-komplimentaryong paraan, na may iba't ibang instrumento," sabi ni Doeleman. "Iyan talaga kung ano ang tungkol sa agham."

Ang orihinal na kuwento ay na-print na may pahintulot mula sa Quanta Magazine, isang editorially independent publication ng Simons Foundation na ang misyon ay upang mapahusay ang pampublikong pang-unawa sa agham sa pamamagitan ng pagsakop sa mga pagpapaunlad ng pananaliksik at mga uso sa matematika at sa mga pisikal at buhay na agham.


Higit pang mga Great WIRED Stories