Idea lubang hitam bermula pada tahun 1783, ketika saintis Cambridge, John Michell menyedari bahawa objek yang cukup besar di ruang yang cukup kecil dapat menarik cahaya bahkan tanpa membiarkannya melarikan diri. Lebih dari satu abad kemudian, Karl Schwarzschild menemui penyelesaian tepat untuk teori relativiti umum Einstein, yang meramalkan hasil yang sama: lubang hitam. Kedua Michell dan Schwarzschild meramalkan hubungan yang jelas antara cakrawala peristiwa, atau radius wilayah dari mana cahaya tidak dapat melarikan diri, dan jisim lubang hitam.
Selama 103 tahun selepas ramalan Schwarzschild, ia tidak dapat disahkan. Dan hanya pada 10 April 2019, para saintis menemui gambar cakrawala peristiwa pertama. Teori Einstein berfungsi semula, seperti yang selalu berlaku.
Walaupun kami sudah mengetahui banyak tentang lubang hitam, bahkan sebelum gambar pertama cakrawala acara, ini banyak berubah dan diperjelas. Kami mempunyai banyak soalan yang kini mempunyai jawapan.
Pada 10 April 2019, kolaborasi Event Horizon Telescope mempersembahkan gambar pertama cakerawala peristiwa black hole yang berjaya. Lubang hitam ini terletak di Messier 87: galaksi terbesar dan paling besar di galaksi supercluster tempatan kita. Diameter sudut cakrawala peristiwa adalah 42 saat arka mikro. Ini bermaksud bahawa diperlukan 23 lubang hitam quadrillion dengan ukuran yang sama untuk menutupi seluruh langit.
Pada jarak 55 juta tahun cahaya, anggaran jisim lubang hitam adalah 6.5 bilion kali daripada Matahari. Secara fizikal, ini sepadan dengan ukuran yang lebih besar daripada ukuran orbit Pluto di sekitar Matahari. Sekiranya tidak ada lubang hitam, akan memakan waktu sekitar satu hari untuk melewati diameter cakrawala peristiwa. Dan hanya kerana:
- teleskop cakrawala acara mempunyai resolusi yang cukup untuk melihat lubang hitam ini
- lubang hitam mengeluarkan gelombang radio dengan kuat
- gelombang radio sangat sedikit di latar belakang untuk mengganggu isyarat
kami berjaya mendapatkan pukulan pertama ini. Dari mana kita sekarang telah belajar sepuluh pelajaran mendalam.
Video promosi:
Kami belajar seperti apa lubang hitam. Apa yang akan datang?
Ini benar-benar lubang hitam, seperti yang diramalkan oleh kerelatifan umum. Sekiranya anda pernah melihat artikel berjudul "ahli teori dengan berani menyatakan bahawa lubang hitam tidak ada" atau "teori graviti baru ini dapat mengubah Einstein," anda rasa ahli fizik tidak mempunyai masalah untuk mengemukakan teori alternatif. Walaupun relativiti umum telah lulus semua ujian yang kami laksanakan, para ahli fizik tidak kekurangan kekurangan, penggantian, atau kemungkinan alternatif.
Dan memerhatikan lubang hitam mengesampingkan sebilangan besar dari mereka. Kita sekarang tahu bahawa ini adalah lubang hitam, bukan lubang cacing. Kami tahu bahawa cakrawala peristiwa ada dan ini bukan satu-satunya yang telanjang. Kita tahu bahawa cakrawala peristiwa bukanlah permukaan yang kukuh, kerana benda yang jatuh mesti mengeluarkan tanda tangan inframerah. Dan semua pemerhatian ini selaras dengan relativiti umum.
Walau bagaimanapun, pemerhatian ini tidak mengatakan apa-apa mengenai bahan gelap, teori graviti yang paling diubahsuai, graviti kuantum, atau apa yang ada di sebalik cakrawala kejadian. Idea-idea ini berada di luar ruang lingkup pemerhatian EHT.
Dinamika graviti bintang memberikan anggaran yang baik untuk jisim lubang hitam; pemerhatian gas - tidak. Sebelum gambar pertama lubang hitam, kami mempunyai beberapa cara yang berbeza untuk mengukur jisim lubang hitam.
Kita boleh menggunakan ukuran bintang - seperti orbit bintang masing-masing berhampiran lubang hitam di galaksi kita sendiri atau garis penyerapan bintang di M87 - yang memberi kita jisim graviti, atau pelepasan dari gas yang bergerak di sekitar lubang hitam pusat.
Untuk kedua galaksi kita dan M87, kedua-dua anggaran ini sangat berbeza: anggaran graviti 50-90% lebih tinggi daripada yang gas. Untuk M87, pengukuran gas menunjukkan bahawa lubang hitam mempunyai 3,5 miliar matahari, dan pengukuran graviti mendekati 6,2 - 6,6 miliar. Tetapi hasil EHT menunjukkan bahawa lubang hitam mempunyai 6,5 miliar massa solar, yang bermaksud, dinamik graviti adalah penunjuk jisim lubang hitam yang sangat baik, tetapi kesimpulan gas beralih ke nilai yang lebih rendah. Ini adalah peluang terbaik untuk meninjau semula andaian astrofizik kita mengenai gas orbit.
Ia harus menjadi lubang hitam yang berputar, dan paksi putarannya menjauh dari Bumi. Melalui pemerhatian cakrawala peristiwa, pelepasan radio di sekitarnya, jet berskala besar, dan pelepasan radio yang diukur oleh pemerhatian lain, EHT telah menentukan bahawa ia adalah lubang hitam Kerr (berputar), bukan lubang hitam Schwarzschild (tidak berputar).
Tidak ada satu pun ciri sederhana dari lubang hitam yang dapat kita pelajari untuk menentukan sifat ini. Sebagai gantinya, kita harus membina model lubang hitam itu sendiri dan perkara di luarnya, dan kemudian mengembangkannya untuk memahami apa yang berlaku. Apabila anda mencari isyarat yang mungkin muncul, anda berpeluang membataskannya agar sesuai dengan hasil anda. Lubang hitam ini harus berputar, dan sumbu putaran menunjuk dari Bumi pada suhu sekitar 17 darjah.
Kami akhirnya dapat menentukan bahawa ada bahan di sekitar lubang hitam, sesuai dengan cakera dan aliran penambahan. Kami sudah tahu bahawa M87 mempunyai jet - dari pemerhatian optik - dan ia juga dipancarkan di rangkaian radio dan sinar-X. Sinaran seperti ini tidak dapat diperoleh hanya dari bintang atau foton: anda memerlukan bahan, dan juga elektron. Hanya dengan mempercepat elektron dalam medan magnet, kita dapat memperoleh ciri pancaran radio yang kita lihat: sinaran sinkron.
Dan juga memerlukan banyak kerja pemodelan. Dengan mengubah semua parameter yang mungkin dari semua model yang mungkin, anda akan mengetahui bahawa pemerhatian ini tidak hanya memerlukan aliran penambahan untuk menerangkan hasil radio, tetapi juga semestinya meramalkan hasil gelombang bukan radio - seperti sinar-X. Pemerhatian yang paling penting dibuat bukan hanya oleh EHT, tetapi juga oleh observatorium lain seperti teleskop sinar-X Chandra. Fluks penambahan harus memanas, seperti yang dibuktikan oleh spektrum pelepasan magnetik M87, sesuai dengan elektron percepatan relativistik di medan magnet.
Lingkaran yang kelihatan menunjukkan kekuatan graviti dan lensa graviti di sekitar lubang hitam pusat; dan sekali lagi relativiti umum diuji. Cincin ini dalam jarak radio tidak sesuai dengan cakrawala peristiwa itu sendiri dan tidak sesuai dengan cincin zarah berputar. Dan juga bukan orbit bulat yang paling stabil dari lubang hitam. Tidak, cincin ini timbul dari sfera foton lensa gravitasi yang lintasannya dibengkokkan oleh graviti lubang hitam yang menuju ke mata kita.
Cahaya ini membengkok ke dalam sfera yang lebih besar daripada yang diharapkan jika graviti tidak sekuat. Sebagai Kolaborasi Teleskop Event Horizon menulis:
"Kami mendapati bahawa lebih daripada 50% dari jumlah fluks dalam arka detik mendekati cakrawala dan bahawa radiasi ini ditindas dengan tajam ketika memasuki wilayah ini, dengan faktor 10, yang merupakan bukti langsung dari bayangan lubang hitam yang diramalkan."
Teori relativiti umum Einstein terbukti betul sekali lagi.
Lubang hitam adalah fenomena dinamik, radiasi mereka berubah dari masa ke masa. Dengan berjumlah 6.5 bilion matahari, akan memakan masa sekitar satu hari untuk melintasi cakrawala peristiwa lubang hitam. Ini secara kasarnya menetapkan jangka waktu di mana kita dapat mengharapkan untuk melihat perubahan dan turun naik dalam pelepasan yang diperhatikan oleh EHT.
Bahkan pemerhatian yang berlangsung selama beberapa hari memungkinkan kami mengesahkan bahawa struktur radiasi yang dipancarkan berubah dari masa ke masa, seperti yang diramalkan. Data 2017 mengandungi empat malam pemerhatian. Walaupun melihat keempat gambar ini, anda dapat melihat secara visual bahawa dua yang pertama mempunyai ciri yang serupa dan dua yang terakhir juga, namun terdapat perbezaan yang signifikan antara yang pertama dan yang terakhir. Dengan kata lain, sifat radiasi di sekitar lubang hitam di M87 berubah dari masa ke masa.
EHT pada masa akan datang akan mendedahkan asal-usul fizikal pecah lubang hitam. Kami telah melihat, di kedua jalur sinar-X dan radio, bahawa lubang hitam di tengah Bima Sakti kita sendiri memancarkan pancaran radiasi pendek. Walaupun gambar lubang hitam pertama yang ditunjukkan menunjukkan objek supermasif di M87, lubang hitam di galaksi kita - Sagittarius A * - akan sama besar, hanya berubah lebih cepat.
Berbanding dengan jisim M87 - 6.5 bilion jisim suria - jisim Sagittarius A * hanya berjumlah 4 juta jisim suria: 0.06% daripada yang pertama. Ini bermaksud bahawa turun naik tidak lagi dapat dilihat pada siang hari, tetapi dalam masa satu minit. Ciri-ciri lubang hitam akan berubah dengan cepat, dan ketika wabah terjadi, kita dapat mengungkapkan sifatnya.
Bagaimana suar berkaitan dengan suhu dan cahaya cahaya radio yang kita lihat? Adakah penyambungan semula magnetik, seperti dalam pengeluaran massa koronal Matahari kita? Adakah sesuatu yang meletup di arus pertambahan? Sagittarius A * berkelip setiap hari, jadi kami dapat mengaitkan semua isyarat yang diperlukan dengan peristiwa ini. Sekiranya model dan pemerhatian kami sama baiknya dengan M87, kami mungkin dapat menentukan apa yang mendorong peristiwa ini dan mungkin juga mengetahui apa yang jatuh ke dalam lubang hitam yang membuatnya.
Data polarisasi akan muncul yang akan mendedahkan sama ada lubang hitam mempunyai medan magnet mereka sendiri. Walaupun kita semua pasti gembira melihat gambar pertama cakrawala peristiwa lubang hitam, penting untuk difahami bahawa gambar yang benar-benar unik akan segera muncul: polarisasi cahaya yang terpancar dari lubang hitam. Oleh kerana sifat cahaya elektromagnetik, interaksinya dengan medan magnet akan memberikan tanda polarisasi tertentu di atasnya, yang memungkinkan kita untuk membina semula medan magnet lubang hitam, serta bagaimana ia berubah dari masa ke masa.
Kita tahu bahawa perkara di luar cakrawala peristiwa, pada dasarnya menggerakkan zarah bermuatan (seperti elektron), menghasilkan medan magnetnya sendiri. Model menunjukkan bahawa garis medan dapat tetap berada dalam aliran akresi, atau melewati cakrawala peristiwa, membentuk semacam "jangkar" di lubang hitam. Terdapat hubungan antara medan magnet ini, pertambahan dan pertumbuhan lubang hitam, dan jet. Tanpa bidang ini, jirim dalam aliran pertambahan tidak akan kehilangan momentum sudut dan jatuh ke cakerawala peristiwa.
Data polarisasi, berkat kekuatan pengimejan polarimetrik, akan memberitahu kami mengenai perkara ini. Kami sudah mempunyai data: masih ada analisis lengkap.
Peningkatan Teleskop Event Horizon akan mendedahkan kehadiran lubang hitam lain berhampiran pusat galaksi. Apabila sebuah planet berputar di sekitar Matahari, itu bukan hanya disebabkan oleh fakta bahawa Matahari mempunyai kesan graviti pada planet ini. Selalu ada reaksi yang sama dan berlawanan: planet ini mempengaruhi matahari. Begitu juga, apabila objek mengorbit lubang hitam, ia juga memberikan tekanan graviti pada lubang hitam. Di hadapan sejumlah besar jisim berhampiran pusat galaksi - dan, secara teori, banyak lubang hitam yang tidak dapat dilihat sejauh ini - lubang hitam pusat harus benar-benar gemetar di tempatnya, ditarik oleh gerakan Brown dari badan-badan sekitarnya.
Caranya untuk membuat pengukuran ini hari ini ialah anda memerlukan titik rujukan untuk menentukur kedudukan anda berbanding dengan lokasi lubang hitam. Teknik pengukuran sedemikian mengandaikan bahawa anda melihat kalibrator, kemudian pada sumbernya, sekali lagi pada kalibrator, sekali lagi pada sumbernya, dan seterusnya. Pada masa yang sama, anda perlu mengalihkan pandangan anda dengan cepat. Malangnya, suasananya berubah dengan cepat, dan banyak yang dapat berubah dalam 1 saat, jadi anda tidak akan mempunyai masa untuk membandingkan dua objek. Walau apa pun, bukan dengan teknologi moden.
Tetapi teknologi di kawasan ini berkembang sangat pesat. Alat yang digunakan di EHT sedang menunggu kemas kini dan mungkin dapat mencapai kelajuan yang diperlukan pada pertengahan tahun 2020-an. Teka-teki ini dapat diselesaikan pada akhir dekad berikutnya, berkat instrumen yang lebih baik.
Akhirnya, Event Horizon Telescope akhirnya akan melihat beratus-ratus lubang hitam. Untuk membongkar lubang hitam, resolusi array teleskop perlu lebih baik (iaitu resolusi tinggi) daripada ukuran objek yang anda cari. Pada masa ini, EHT hanya dapat membuat tiga lubang hitam yang diketahui di Alam Semesta dengan diameter yang cukup besar: Sagittarius A *, pusat M87, pusat galaksi NGC 1277.
Tetapi kita dapat meningkatkan kekuatan mata Teleskop Event Horizon ke ukuran Bumi jika kita meluncurkan teleskop ke orbit. Secara teori, ini sudah dapat dicapai secara teknikal. Peningkatan jumlah teleskop meningkatkan jumlah dan kekerapan pemerhatian, serta resolusi.
Dengan membuat penambahbaikan yang diperlukan, bukannya 2-3 galaksi, kita akan dapat menemui beratus-ratus lubang hitam atau lebih. Masa depan album foto lubang hitam kelihatan cerah.
Projek Teleskop Event Horizon mahal, tetapi berjaya. Hari ini kita hidup di era astronomi lubang hitam dan akhirnya dapat memerhatikannya dengan mata kita sendiri. Ini hanya permulaan.
Ilya Khel
