Kam ide veda o čiernych dierach po prvom obrázku?

V stredu 10. apríla sa svet dostal jeho úplne prvý pohľad z nebeských priepastí, ktoré sa nachádzajú v jadre každej galaxie: čierna diera. Pole Event Horizon Telescope (EHT) zachytilo kruhový tieň supermasívnej čiernej diery v strede galaxie Messier 87 alebo M87. Silueta zatieni fotóny, ktoré boli schopné vykĺznuť zo zovretia najvnútornejšej obežnej dráhy čiernej diery – intenzívnej gravitačnej sily horizontu udalostí.

“Je to najsilnejší dôkaz o existencii čiernych dier, aký máme k dnešnému dňu,“ povedal Shep Doeleman, riaditeľ EHT. tlačová konferencia v stredu vo Washingtone, D.C.

Ale ako Avery Broderick, astrofyzik z University of Waterloo a člen tímu EHT, neskôr pri oznámení povedal: „Čo to všetko znamená?

Celý týždeň sa Science Friday rozprával s experimentátormi a teoretikmi vo svete astrofyzikyo tom, čo môže tento objav znamenať pre ich prácu. Začiatkom tohto týždňapred oznámením teoretickí fyzici Alex Lupsasca a Ruth Gregory zdieľali niektoré z potenciálnych dôsledkov správ o EHT.A v stredu, len niekoľko hodín po zverejnení prvej snímky čiernej diery, astrofyzička Julie Hlavacek-larrondo z U.niversité de Montreal — kto sa pripojí k Science Friday v tento týždeň špeciálny hodinový rozhovor o čiernych dierach —dala prvé reakcie.

Tieto rozhovory boli upravené kvôli dĺžke a zrozumiteľnosti.

Alex Lupsasca

Post-doktorandský junior Fellow, Centrum pre základné zákony prírody na Harvardskej univerzite

Science Friday hovoril s Alexom Lupsascom pred zverejnením zistení z 10. apríla Event Horizon Telescope.

Prečo vás ako teoretického fyzika zaujíma tento obrázok?
Takže po prvé, je to veľmi vzrušujúce. A ako všetci ostatní chcem vidieť prvý obrázok čiernej diery. Takže si myslím, že ten číry cool-faktor toho, že sme prvýkrát v histórii ľudstva mohli vidieť čiernu dieru, je úžasný. Dúfam, že to ľudí nadchne. Určite nás to vzrušilo.

Teraz ako teoretik existujú dve veci, ktoré môžu teoretici urobiť. Prvým z nich je predpovedať, ako budú obrázky vyzerať a aké funkcie budú mať. Takže to je jedna z úloh teoretika, používať známe zákony a robiť predpovede pre experimenty a potom tieto predpovede testovať. Druhou úlohou je pokúsiť sa odhaliť ďalšiu úroveň fyzikálneho zákona. Aké sú teda zákony okrem tých, ktoré sme v súčasnosti objavili a ktoré v súčasnosti poznáme. A myslím si, že ďalekohľad horizontu udalostí a fyzika čiernych dier vo všeobecnosti nám dávajú príležitosť urobiť obe tieto veci.

Všeobecná relativita predpovedá, že keď sa čierna diera veľmi rýchlo otáča, stane sa niečo veľmi, veľmi zvláštne. A dôvodom je to, že okolo seba natoľko deformuje časopriestor, že vytvára tento druh hrdelnej geometrie. Takže sa z nej stáva táto veľmi, veľmi hlboká gravitačná studňa, a keď sa točí rýchlejšie a rýchlejšie a blíži sa k limitu, táto hlboká gravitačná studňa sa stáva nekonečne hlbokou.

Aký experiment by ste vykonali na horizonte udalostí, keby ste mohli?
Ak by ste tam skutočne mohli cestovať, potom by ste mohli púšťať častice alebo by ste mohli svietiť svetlom v rôznych smeroch a mohli by ste vidieť, ako sa častice pohybujú alebo ako sa šíri svetlo. A z toho by ste mohli odvodiť tvar časopriestoru. Ale je jasné, že tam nepôjdeme. Mám na mysli, že najbližšia supermasívna čierna diera je tá v strede našej galaxie, Sagittarius A*, ale tá je vzdialená 26 000 svetelných rokov. [ Ed. poznámka: Teleskop Event Horizon Telescope tiež zhromaždil údaje zo Sagittarius A*, ale zatiaľ nezverejnil žiadne zistenia. ] Takže ľudia práve teraz fantazírujú o vyslaní sond do neďalekej slnečnej sústavy Alpha Centauri, ktorá je od nás [4,367 svetelných rokov] ďaleko. Takže aj to je za hranicou našich schopností. Takže skutočne cestovanie do čiernej diery je ďaleko za hranicou toho, v čo môžeme dúfať. Ale nemusíme.

Ide o to, že môžeme získať signály z oblasti okolo čiernej diery. A s LIGO, observatóriom gravitačných vĺn, môžeme teraz počúvať tieto oblasti vesmíru a získavať z nich gravitačné signály, čo je podľa mňa nesmierne vzrušujúce.

A ďalekohľad Horizont udalostí je elektromagnetickým náprotivkom. Takže tiež hľadá signály z čiernych dier, ale nepoužíva gravitáciu, ale svetlo. Myslím si, že s týmito dvoma vecami, ako sa naše schopnosti zväčšujú a naša technológia sa zdokonaľuje, sa budeme môcť na tie miesta len pozerať, počúvať ich a vidieť ich a v podstate nahliadnuť do týchto hlbokých gravitačných studní a budeme schopní povedzte, či majú túto veľmi hlbokú oblasť podobnú hrdlu.

„Rovnako ako všetci ostatní chcem vidieť prvý obrázok čiernej diery. Takže si myslím, že ten úžasný faktor, že prvýkrát v histórii ľudstva môžeme vidieť čiernu dieru, je úžasný.'

Aké veci z tohto obrázku neuvidíte, čo by chcel vidieť teoretik?
Myslím, že najjednoduchšia vec, ktorú ste mohli dúfať, je, že silueta, tvar tieňa, bude mať zvislú hranu na boku. Takže zvyčajne je tieň okrúhly, ale ak sa čierna diera točí veľmi rýchlo a pozeráte sa na ňu z určitého uhla, potom by tieň mal mať v skutočnosti zvislú hranu na boku. Problém je v tom, že sa na [M87] nepozeráme zboku, ale zhora. A keď sa na to pozriete zhora, neočakávate, že uvidíte zvislú čiaru.

Takže si myslím, že v dokonalom svete by sme boli schopní natiahnuť ruku a otočiť čiernu dieru a jednoducho ju odfotografovať z každého uhla. Myslím, že to by sa mi páčilo. Takže možno nakoniec bude technológia natoľko dobrá, že sa budeme môcť pozrieť na veľa rôznych čiernych dier na oblohe. Potom sa v podstate nebudeme môcť pozerať na jedinú čiernu dieru zo všetkých uhlov pohľadu, ale predpokladá sa, že čierne diery sú viac-menej identické. A tak sa možno na oblohe môžete efektívne pozerať na veľa rôznych, ktoré majú všetky rôzne orientácie, a bude to ako pozerať sa na čiernu dieru z mnohých rôznych uhlov.

Ruth Gregoryová

Profesor teoretickej časticovej fyziky, Durhamská univerzita

Science Friday hovoril s Dr. Ruth Gregory pred zverejnením zistení z 10. apríla Event Horizon Telescope.

Čo skúmate a prečo vás vzrušuje snímka Event Horizon Telescope?
Veríme, alebo sme to určite pozorovali, že sa zdá, že náš vesmír sa zrýchľuje – vzdialené hviezdy sú, ak chcete, slabšie, ako by sme od nich mohli očakávať. Vieme teda, že vesmír sa rozpína, ale nezvyčajné je, že sa zdá, že je skôr rýchlejší ako pomalší. Ak sa pozrieme na to, čo hovorí Einsteinov pohľad na gravitáciu, znamená to, že v energetickom rozpočte vesmíru existuje táto neznáma zložka, ktorá je v skutočnosti skôr ako slávna Einsteinova kozmologická konštanta, ktorú nazval svojou „najväčšou chybou“. Je to veľmi zvláštny druh energie a nazývame ju temnou energiou, pretože v skutočnosti nevieme, či je to táto kozmologická konštanta, ktorú mal Einstein, alebo či je to nejaká iná exotická forma hmoty, alebo či v skutočnosti gravitácia nie je Einsteinova gravitácia a niečo iné sa deje vo veľkom rozsahu.

A čierne diery sú miesta, kde je gravitácia v našom vesmíre do značnej miery najsilnejšia, takže ma zaujíma, či nám môžu povedať niečo o tom, čo je táto temná energia. Už pozorovania gravitačných vĺn nám poskytli celkom dobré informácie o tom, čo gravitácia nedokáže vo veľkých mierkach. A dúfajme, že ďalekohľad Event Horizon Telescope nám začne poskytovať informácie o tom, čo gravitácia nedokáže urobiť na trochu menších mierkach, ale kde je veľmi silná.

'Čierne diery sú miesta, kde je gravitácia v našom vesmíre do značnej miery najsilnejšia, takže ma zaujíma, či nám môžu povedať niečo o tom, čo je táto temná energia.'

Existuje niečo o čiernych dierach, čo nám pomáha zjednotiť Einsteinovu teóriu všeobecnej relativity s kvantovou fyzikou?
Vlastne áno. S čiernymi dierami je to preto, že sú také extrémne prostredie, kde je gravitačné pole také silné, že ten malý priestor má s nami prerušený kontakt. Nemáme v ňom prístup k ničomu, takže sme si uvedomili, že to predstavuje stratu informácií. A tak toto je niečo, čo je v skutočnosti celkom v rozpore s tým, čo zvyčajne považujeme za pravdivé o kvantovej fyzike.

Teórie kvantovej fyziky nemajú tento aspekt straty informácií, a preto túto výzvu predstavujú čierne diery. Určite sú tam vonku. Sú konečným stavom väčších hviezd, keď prídu na koniec svojho života. Máme tieto supermasívne čierne diery, ktoré sa zdajú byť v strede väčšiny galaxií. Vieme, že sú tam vonku, a napriek tomu máme skutočne problém zosúladiť ich s tým, čo sme testovali a o čom sme verili, že je pravdivé v kvantovej fyzike. Takže pochopenie toho, ako spojiť čierne diery s našimi myšlienkami kvantovej fyziky, podľa mňa odhalí koncepčné problémy kvantovej gravitácie. Myslím si, že čierne diery sú naozaj dobrou zvukovou doskou na testovanie našich nápadov.

Aké dvere by informácie o EHT otvorili výskumu?
Myslím si, že pre ľudí, ktorí sú priamo zapojení do astrofyziky, budú [údaje z EHT] iným spôsobom nazerania na objekty v našej galaxii. Máme všetky tieto rôzne teleskopy založené na svetle alebo rádiových vlnách, ale v podstate ide o elektromagnetické spektrum. Začíname skúmať gravitačné spektrum. EHT je rádioteleskop, ale začína zobrazovať veci, ktorých základná bytosť, ak chcete, nie je optická. Keď vidíte hviezdu, vidíte svetlo, ktoré vyžaruje nejaký druh fúznej reakcie. Proces vytvárania svetla je optický proces, zatiaľ čo v prípade čiernej diery určite vidíte rádiové vlny, ale to, čo zobrazujú, je niečo, čo nie je normálne, je to gravitačné pole. Je to naozaj dosť výrazné.

Až doteraz, ak sme sa pokúšali študovať systémy tam vonku, či už binárne systémy alebo centrá galaxií, vždy sme museli odvodiť, že ide o čiernu dieru alebo odvodiť. Vždy to bolo pozorovanie z druhej ruky a myslím si, že priame pozorovanie je dráma, ak chcete, to je naozaj skvelá vec.

Júlia Hlaváček-Larrondo

Odborný asistent fyziky, U Univerzita v Montreale

Science Friday hovoril s Dr. Julie Hlavacek-Larrondo pár hodín po zverejnení zistení z 10. apríla Event Horizon Telescope. Počúvaj na Hlaváček-Larrondo na vedecký piatok počas našej zajtrajšej diskusie o čiernych dierach.

Čo vás z vedeckého hľadiska zaujalo na výsledkoch ďalekohľadu Event Horizon Telescope?
Vždy sa snažíme pochopiť, čo môžu supermasívne čierne diery urobiť so svojím prostredím.

Galaxie sú v podstate stavebnými kameňmi nášho vesmíru – vesmír ich obsahuje miliardy. Zaujímavé je, že supermasívna čierna diera, hoci je veľmi masívna, je veľmi kompaktná. Má veľmi malú fyzickú veľkosť; je asi miliardkrát menšia ako jej galaxia. Astronómovia si mysleli, že v strede [každej galaxie] môže byť supermasívna čierna diera, ale je taká malá, že s galaxiou nič neurobí; nezohrá žiadnu zásadnú úlohu v tom, ako sa galaxia vyvinie. A to je nesprávne, pretože sme zistili, najmä za posledných 20 rokov, že hoci sú supermasívne čierne diery malé, sú mimoriadne silné. Samy o sebe majú dostatok energie na úplné zničenie celej galaxie. A to, čo sme sa naučili – najmä pri mojom výskume a tiež mnohých ďalších ľudí – je, že supermasívne čierne diery úplne pretvárajú vlastnosti galaxií. Galaxie vyzerajú úplne inak vďaka prítomnosti tohto malého objektu v strede.

Takže pre mňa to vždy bolo o pochopení toho, čo tieto veľké supermasívne čierne diery robia s ich galaxiou – akú úlohu hrajú pri formovaní a vývoji galaxií a vesmíru vo všeobecnosti. Tento obrázok nám umožní pochopiť to ešte viac. Dozvieme sa, čo sa stalo s plynom, keď sa dostane veľmi blízko čiernej diery, keď takmer spadne do čiernej diery. Najmä, keď sa tento plyn usadí v blízkosti čiernej diery, vytvorí okolo nej akrečný disk – v podstate disk hmoty, ktorý sa špirálovito točí veľmi blízko k čiernej diere. A pozorujeme, že supermasívne čierne diery môžu vytvárať výtrysky relativistického materiálu. Vidíme, že tieto výtrysky pochádzajú z týchto supermasívnych čiernych dier. Nie sme si úplne istí, ako ich môžu čierne diery skutočne vytvoriť, ale vieme, že z nich pochádzajú a tieto výtrysky sa šíria po celej galaxii. A ukázalo sa, že prúdy vstrekujú toľko energie, a to je jeden zo spôsobov, ako môžu čierne diery pretvárať vlastnosti galaxií.

„Pre mňa to bolo vždy o pochopení toho, čo tieto veľké supermasívne čierne diery robia s ich galaxiou – akú úlohu hrajú pri formovaní a vývoji galaxií a vesmíru vo všeobecnosti. Tento obrázok nám umožní pochopiť to ešte viac.'

Čo by ste chceli ďalej študovať s obrázkom a údajmi?
Veľmi ma zaujíma, ako sa formuje prúd, ktorý prichádza z M87, a len rozumiem fyzike toho, kde sa tvorí. Napríklad, ak urobíte viacero obrázkov v priebehu času, ak urobíte jeden tento rok a potom ďalší budúci rok, existuje nejaký dôkaz, že sa materiál okolo čiernej diery mení? Veľa sa to mení? V skutočnosti sa učíme, ako materiál prúdi do čiernej diery tým, že sa pozeráme na to, ako sa mení s časom, takže je to super zaujímavé. Možno sa prúd zmení, takže ako sa tieto štruktúry prispôsobia toku materiálu smerom k čiernej diere.

V budúcnosti budú tiež nástroje na anténach ďalekohľadu Event Horizon Telescope, ktoré vám umožnia študovať polarimetriu – čo je pojem vo fyzike, ktorý sa zdá byť veľmi zložitý, ale ide len o pochopenie toho, ako je elektrické a magnetické pole vo svetle. orientovaný. To nás učí o magnetickom poli okolo čiernej diery. Skutočne úžasné je, že keďže je gravitácia v čiernych dierach taká silná, magnetické polia v materiáli, ktorý k nej prúdi, budú vynikajúce. Tieto druhy magnetických polí nedokážeme ani zďaleka reprodukovať v laboratóriu. A tak by nás čierne diery poučili o najsilnejších magnetických poliach vo vesmíre. Bude tam veľa energie, čo tieto magnetické polia urobia s materiálom, či pomôžu pri vytváraní prúdov. Takže to vidím v najbližších rokoch.

Prečo to bolo pre vás veľké zistenie?
Toto je najväčší dôkaz toho, že supermasívne čierne diery skutočne existujú. Pred pár rokmi LIGO detekovalo gravitačné vlny – tieto vlny pochádzali z malých čiernych dier, ktoré sa zlúčili a to bol naozaj skvelý dôkaz, že malé čierne diery existujú. Ale pre mňa to nebolo veľmi prekvapujúce, pretože sme pochopili, odkiaľ tieto malé čierne diery pochádzajú. Pochádzajú z hviezd, ktoré svoj život končia v podobe čiernej diery. Sme si celkom istí, že rozumieme teórii za nimi. Supermasívne čierne diery sú na inej úrovni. Stále sú veľmi tajomné. Je také ťažké pochopiť, ako sa môžu stať takými veľkými, takými masívnymi, ako môže vesmír skutočne vytvoriť tieto štruktúry.

Tento obrázok je najlepším dôkazom toho, že objekt, ktorý je extrémne masívny – hovoríme o miliónoch a miliardách násobkoch hmotnosti nášho Slnka – existuje a že skutočnosť, že na obrázku vidíme tieň, je dôkazom toho, že horizont existuje na čiernych dierach, táto bariéra, cez ktorú nemôže nič uniknúť, dokonca ani svetlo. Pre mňa to bol najväčší wow faktor, supermasívne čierne diery – sú to objekty, z ktorých nič nemôže uniknúť – v skutočnosti existujú.

Zistite viac oHlaváček-Larrondo rozpis nových údajov o čiernych dierach M87 a to, čo nás čaká vo výskume čiernych dier počas náš špeciálny segment o tohtoročnom Science Friday , spolu s členmi tímu EHT.