بحث

عشر حقائق علمية تعلمناها من الصورة الأولى للثقب الأسود

فكرة الثقوب السوداء تعود إلى عام 1783 ، عندماأدرك عالم كامبريدج جون ميشيل أن جسمًا ضخمًا بدرجة كافية في مساحة صغيرة كافية يمكن أن يجذب حتى الضوء ، ويمنعه من الهرب. بعد أكثر من قرن من الزمان ، وجد كارل شوارزشيلد الحل الدقيق لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، والتي تنبأت بالنتيجة نفسها: ثقب أسود. توقع كل من ميشيل وشوارزشيلد وجود صلة واضحة بين أفق الحدث ، أو دائرة نصف قطرها لمنطقة لا يمكن للضوء أن يهرب منها ، وكتلة الثقب الأسود.

لمدة 103 سنوات بعد شوارزشيلدالتنبؤات لا يمكن التحقق من ذلك. وفقط في 10 أبريل 2019 ، اكتشف العلماء أول صورة على الإطلاق لأفق الأحداث. عملت نظرية أينشتاين مرة أخرى ، كما هو الحال دائمًا.

على الرغم من أننا نعرف الكثير بالفعل عن الثقوب السوداء ، حتى قبل ظهور اللقطة الأولى لأفق الحدث ، إلا أنها تغيرت وتوضيحت كثيرًا. كان لدينا الكثير من الأسئلة التي لديها الآن إجابات.

بالمناسبة ، هنا عشر حقائق عن الثقوب السوداء التي يجب على الجميع معرفتها.

10 أبريل 2019 حدث تعاون الأفققدم تلسكوب أول لقطة ناجحة لأفق حدث الثقب الأسود. يوجد هذا الثقب الأسود في مجرة ​​ميسيير 87: المجرة الأكبر والأكثر ضخامة في مجرتنا الفائقة المحلية من المجرات. كان القطر الزاوي لأفق الحدث 42 ثانية دقيقة. هذا يعني أنه من أجل تغطية السماء بأكملها ، تحتاج إلى 23 ثقبًا أسودًا من نفس الحجم.

على مسافة 55 مليون سنة ضوئية ،تبلغ الكتلة المقدرة لهذا الثقب الأسود 6.5 مليار مرة الكتلة الشمسية. جسديا ، وهذا يتوافق مع حجم أكبر من حجم مدار بلوتو حول الشمس. إذا لم يكن هناك ثقب أسود ، فإن الضوء سيحتاج إلى حوالي يوم للذهاب عبر قطر أفق الحدث. وسبب ذلك:

  • يحتوي تلسكوب أفق الحدث على دقة كافية لرؤية هذا الثقب الأسود
  • الثقب الأسود يشع بقوة موجات الراديو
  • عدد قليل جدًا من انبعاثات الموجات الراديوية في الخلفية للتداخل مع الإشارة

كنا قادرين على جعل هذه الطلقة الأولى. من الذي تعلمناه الآن عشرة دروس عميقة.

لقد تعلمنا كيف يبدو الثقب الأسود. ما التالي؟

هذا ثقب أسود حقيقي ، كما تنبأ به GR. إذا كنت قد رأيت من أي وقت مضى مقالا مع العنوانمثل "المنظر يؤكد بجرأة أن الثقوب السوداء لا وجود لها" أو "هذه النظرية الجديدة للجاذبية يمكن أن تحول أينشتاين" ، أنت تخمن أن الفيزيائيين ليس لديهم مشاكل مع اختراع النظريات البديلة. على الرغم من أن الموارد الوراثية قد اجتازت جميع الاختبارات التي أخضعناها لها ، فإن الفيزيائيين ليس لديهم نقص في الامتدادات أو البدائل أو البدائل الممكنة.

ورؤية ثقب أسود يزيل هائلهمكمية. الآن نحن نعرف أن هذا هو ثقب أسود ، وليس حفرة ثقيلة. نحن نعلم أن أفق الحدث موجود وأنه ليس تفردًا مكشوفًا. نحن نعلم أن أفق الحدث ليس سطحًا صلبًا ، لأن المادة الساقطة يجب أن تنتج توقيعًا بالأشعة تحت الحمراء. وكل هذه الملاحظات تتوافق مع النظرية العامة للنسبية.

ومع ذلك ، فإن هذه الملاحظة لا تقول شيئًا عن الظلامالمسألة ، أكثر نظريات الجاذبية المعدلة ، الجاذبية الكمية ، أو ما وراء أفق الأحداث. هذه الأفكار هي خارج نطاق ملاحظات EHT.

ديناميات الجاذبية للنجوم تعطي تقديرات جيدة لجماهير الثقب الأسود ؛ مراقبة الغاز - لا. قبل أول صورة ثقب أسود ، كان لدينا عدة طرق مختلفة لقياس كتلة الثقوب السوداء.

يمكننا إما استخدام قياسات النجوم -مثل المدارات الفردية للنجوم بالقرب من ثقب أسود في مجرتنا الخاصة أو خطوط امتصاص النجوم في M87 - التي أعطتنا كتلة الجاذبية ، أو الانبعاثات من الغاز الذي يتحرك حول ثقب أسود مركزي.

سواء بالنسبة لمجرتنا و M87 ، هذينكانت التقديرات مختلفة للغاية: كانت تقديرات الجاذبية أكبر بنسبة 50-90 ٪ من الغاز. بالنسبة إلى M87 ، أظهرت قياسات الغاز أن الثقب الأسود به كتلة 3.5 مليار شمس ، في حين كانت قياسات الجاذبية أقرب إلى 6.2-6.6 مليار. ، ديناميات الجاذبية هي مؤشر ممتاز لكتلة الثقوب السوداء ، لكن الاستنتاجات حول تحول الغاز نحو القيم المنخفضة. هذه فرصة عظيمة لمراجعة افتراضاتنا الفيزيائية الفلكية حول الغاز المداري.

</ p>

يجب أن يكون ثقبًا أسودًا دائريًا ، ومحور الدوران الخاص به يبعد عن الأرض.. من خلال مراقبة أفق الحدث ،انبعاث الراديو من حوله ، طائرة نفاثة واسعة النطاق وانبعاث راديو ممتد تقاسه المراصد الأخرى ، وقد حددت EHT أنها عبارة عن ثقب أسود Kerr (دوار) ، وليست Schwarzschild (لا تدور).

ليست ميزة واحدة بسيطة من ثقب أسود ذلكيمكننا دراسة لتحديد هذه الطبيعة. بدلاً من ذلك ، علينا أن نبني نماذج للثقب الأسود والأمر الموجود خارجها ، ثم نطورها لفهم ما يحدث. عندما تبحث عن إشارات محتملة قد تظهر ، فإنك تحصل على فرصة للحد منها حتى تتسق مع نتائجك. يجب أن يدور هذا الثقب الأسود ، ويشير محور الدوران إلى حوالي 17 درجة من الأرض.

تمكنا في النهاية من تحديد أن هناك مادة حول ثقب أسود يتوافق مع الأقراص المتراكمة والجداول.. كنا نعلم بالفعل أن M87 كان بها طائرة نفاثةالملاحظات البصرية - وما تنبعث منه أيضًا في الموجات الراديوية والأشعة السينية. لا يمكن الحصول على هذا النوع من الإشعاع فقط من النجوم أو الفوتونات: أنت بحاجة إلى مادة ، وكذلك الإلكترونات. فقط من خلال تسريع الإلكترونات في مجال مغناطيسي يمكننا الحصول على الانبعاثات الراديوية المميزة التي رأيناها: إشعاع السنكروترون.

وتطلب أيضا مبلغ لا يصدقالعمل النمذجة. التواء المعلمات المختلفة لجميع النماذج الممكنة ، سوف تتعلم أن هذه الملاحظات لا تتطلب فقط تدفقات متكررة لشرح نتائج الراديو ، ولكن أيضًا بالضرورة تتنبأ بالنتائج غير الموجية للراديو ، مثل الأشعة السينية. تم إجراء أهم الملاحظات ليس فقط بواسطة EHT ، ولكن أيضًا بواسطة مراصد أخرى مثل تلسكوب Chandra X-ray. يجب تسخين تدفقات التراكم ، كما يتضح من طيف الإشعاع المغناطيسي M87 ، وفقًا للإلكترونات المتسارعة النسبية في المجال المغناطيسي.

تظهر الحلقة المرئية الجاذبية والعدسة حول الثقب الأسود المركزي ؛ ومرة أخرى تم اختبار GRT. حلقة الراديو هذه غير متطابقةأفق الأحداث ولا يتوافق مع حلقة الجسيمات الدوارة. وهذا ليس أيضًا المدار الدائري الأكثر ثباتًا في الثقب الأسود. لا ، هذه الحلقة تنبعث من مجال الفوتونات ذات العدسة الجاذبية ، والتي تنحني مساراتها عن طريق ثقب الثقب الأسود في طريقنا إلى أعيننا.

ينحني هذا الضوء إلى مجال أكبر مما يتوقعه المرء إذا لم تكن الجاذبية قوية للغاية. بينما يكتب في Event Horizon Telescope Collaboration:

"وجدنا أن أكثر من 50 ٪ من إجمالي التدفق فيتمر الأقواس الثانية بالقرب من الأفق وأن هذا الإشعاع يتم قمعه بحدة عندما يدخل هذه المنطقة بمقدار 10 مرات ، وهذا دليل مباشر على الظل المتوقع للثقب الأسود. "

أثبتت نظرية أينشتاين العامة للنسبية مرة أخرى أنها صحيحة.

الثقوب السوداء هي ظواهر ديناميكية ، يتغير الإشعاع مع مرور الوقت.. مع كتلة 6.5 مليار شمس ، ضوءسوف يستغرق الأمر حوالي يوم للتغلب على أفق حدث الثقب الأسود. يحدد هذا الإطار الزمني تقريبًا الذي يمكننا أن نتوقع أن نشهد فيه تغييرات وتقلبات الإشعاع التي لاحظتها EHT.

حتى الملاحظات التي استمرت عدة أيام ،سمح لنا أن نؤكد أن هيكل الإشعاع المنبعث يتغير مع الوقت ، كما هو متوقع. تحتوي بيانات عام 2017 على أربع ليال من الملاحظات. حتى عند النظر إلى هذه الصور الأربع ، يمكنك أن ترى بصريًا أن الأولين لهما ميزات متشابهة والآخران أيضًا ، ومع ذلك ، هناك اختلافات كبيرة بين الأول والأخير. بمعنى آخر ، تتغير خصائص الإشعاع حول الثقب الأسود في M87 بمرور الوقت.

سوف تكشف EHT في المستقبل عن الأصل المادي لمشاعل الثقب الأسود.. رأينا في كل من الأشعة السينية وفيمجموعة الراديو أن ثقب أسود في وسط درب التبانة لدينا تنبعث من ومضات الإشعاع على المدى القصير. على الرغم من أن الصورة الأولى للثقب الأسود الموضحة أظهرت كائنًا فائق الكتلة في M87 ، فإن الثقب الأسود في مجرتنا - القوس A * - سيكون بنفس الحجم ، لكنه سيتغير بشكل أسرع.

بالمقارنة مع كتلة M87 - 6.5 مليار دولارالكتل الشمسية - كتلة القوس A * ستكون 4 ملايين كتلة شمسية فقط: 0.06٪ من الكتلة الأولى. هذا يعني أنه سيتم ملاحظة التقلبات ليس فقط خلال اليوم ، ولكن خلال دقيقة واحدة فقط. ستتغير ميزات الثقب الأسود بسرعة ، وعندما يحدث وميض ، سنكون قادرين على الكشف عن طبيعته.

كيف ترتبط الهبات إلى درجة الحرارة والإضاءةصور الراديو رأينا؟ هل يحدث توصيل مغناطيسي ، كما هو الحال في قذف الكتلة الاكليلية من شمسنا؟ هل هناك أي شيء يكسر تيارات الجداول؟ يومض A * يوميًا ، حتى نتمكن من ربط جميع الإشارات الضرورية بهذه الأحداث. إذا كانت نماذجنا وملاحظاتنا جيدة كما اتضح فيما يتعلق بالطراز M87 ، فيمكننا تحديد ما الذي يدفع هذه الأحداث وربما حتى معرفة ما الذي يقع في الثقب الأسود ، مما يخلقها.

سوف تظهر بيانات الاستقطاب التي ستكشف ما إذا كانت الثقوب السوداء لها مجال مغناطيسي داخلي.. على الرغم من أننا جميعا كنا سعداء بالتأكيد لرؤيةأول لقطة لأفق الثقب الأسود ، من المهم أن نفهم أن صورة فريدة تمامًا ستظهر قريبًا: استقطاب الضوء المنبعث من الثقب الأسود. نظرًا للطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء ، فإن تفاعلها مع المجال المغناطيسي سيطبع بصمة توقيع استقطاب خاص ، مما يسمح لنا بإعادة بناء المجال المغنطيسي للثقب الأسود ، وكذلك كيفية تغيره بمرور الوقت.

نحن نعلم أن هذه المادة تتجاوز الأفق.الأحداث ، كونها تتحرك بشكل أساسي الجزيئات المشحونة (مثل الإلكترونات) ، تولد المجال المغناطيسي الخاص بها. تشير النماذج إلى أن خطوط الحقل يمكن أن تظل إما في تدفقات متراكمة ، أو تمر عبر أفق الحدث ، وتشكل نوعًا من "المرساة" في الثقب الأسود. هناك صلة بين هذه المجالات المغناطيسية ، والتراكم ونمو الثقب الأسود ، وكذلك الطائرات. بدون هذه الحقول ، لا يمكن أن تفقد المواد المتدفقة في الزخم زخمها الزاوي وتقع في أفق الحدث.

بيانات الاستقطاب ، نظرًا لقوة التصور الاستقطابي ، ستخبرنا بها. لدينا بالفعل البيانات: يبقى إجراء تحليل كامل.

تحسن حدث الأفق سوف تلسكوب تظهر وجود ثقوب سوداء أخرى بالقرب من مراكز المجرة.. عندما يدور الكوكب حول الشمسليس فقط بسبب حقيقة أن الشمس لها تأثير ثقالي على الكوكب. يوجد دائمًا رد فعل معاكس: الكوكب له تأثير على الشمس. وبالمثل ، عندما يدور كائن حول ثقب أسود ، فإنه يمارس أيضًا ضغطًا ثقاليًا على الثقب الأسود. في ظل وجود مجموعة كاملة من الجماهير بالقرب من مراكز المجرات - ومن الناحية النظرية ، العديد من الثقوب السوداء غير المرئية - يجب أن يرتجف الثقب الأسود المركزي حرفيًا في مكانه ، حيث يتم سحبه بواسطة الحركة البراونية للهيئات المحيطة.

صعوبة هذا القياس اليومهو أنك بحاجة إلى نقطة تحكم لمعايرة وضعك بالنسبة لموقع الثقب الأسود. تتضمن تقنية مثل هذا القياس أنك نظرت إلى المعاير ، ثم إلى المصدر ، ومرة ​​أخرى إلى المعاير ، ثم مرة أخرى إلى المصدر ، وما إلى ذلك. في هذه الحالة ، تحتاج إلى تحريك العين بسرعة كبيرة. لسوء الحظ ، يتغير الجو بسرعة كبيرة ، وفي غضون ثانية واحدة يمكن أن يتغير الكثير ، لذلك ليس لديك وقت لمقارنة الكائنين. في أي حال ، وليس مع التكنولوجيا الحديثة.

لكن التقنيات في هذا المجال تتطور.سريع بشكل لا يصدق. الأدوات المستخدمة في EHT في انتظار التحديثات وقد تكون قادرة على تحقيق السرعة المطلوبة بحلول منتصف عام 2020. يمكن حل هذا اللغز بحلول نهاية العقد المقبل ، وكل ذلك بفضل تحسين الأدوات.

أخيرا، حدث الأفق سوف يرى التلسكوب في النهاية مئات الثقوب السوداء. لتفكيك ثقب أسود ، تحتاج إلىكانت دقة وضوح صفيف التلسكوب أفضل (أي دقة عالية) من حجم الكائن الذي تبحث عنه. في الوقت الحالي ، لا يمكن ل EHT أن تصنع إلا ثلاثة ثقوب سوداء معروفة في الكون بقطر كبير بما فيه الكفاية: القوس A * ، مركز M87 ، مركز المجرة NGC 1277.

ولكن يمكننا زيادة قوة عين الحدث الأفق.التلسكوب إلى حجم الأرض ، إذا أطلقنا التلسكوبات في المدار. من الناحية النظرية ، هذا بالفعل قابل للتحقيق تقنيًا. زيادة عدد التلسكوبات تزيد من عدد وتواتر الملاحظات ، وفي الوقت نفسه ، القرار.

من خلال إجراء التحسينات اللازمة ، بدلاً من 2-3 مجرات ، يمكننا العثور على مئات الثقوب السوداء أو أكثر. يبدو مستقبل ألبومات صور الثقب الأسود مشرقًا.

كان مشروع التلسكوب لأفق الحدث باهظ الثمن ،لكنه سدد. نعيش اليوم في عصر فلك الثقوب السوداء وأخيراً تمكنا من مشاهدتها بأعيننا. هذه مجرد البداية. اشترك في قناة تلغراف لدينا لتلقي جميع الأخبار من هذه الجبهة غير مرئية.