Космически телескоп може да разкрие фотонния пръстен на черна дупка


Космически телескоп може да разкрие фотонния пръстен на черна дупка

Различните фотонни пътища създават слоеве светлина. Кредит: Джордж Уонг (UIUC) и Майкъл Джонсън (CfA)

Въпреки десетилетия на изследване, черните дупки все още са сред най-мощните и мистериозни небесни обекти, изследвани някога. Поради участващите екстремни гравитационни сили, нищо не може да избяга от повърхността на черна дупка (включително светлината). В резултат на това изследването на тези обекти традиционно се ограничава до наблюдение на тяхното влияние върху обекти и пространство-времето в близост до тях. Едва през 2019 г. първото изображение на черна дупка беше заснето от Event Horizon Telescope (EHT).

Това постижение стана възможно благодарение на техника, известна като много дълга базова интерферометрия (VLBI), която позволи на учените да видят яркия пръстен около супермасивна черна дупка (SMBH) в центъра на галактиката M87. Ново проучване на международен екип от астрономи показа как една космическа интерферометрична мисия може да разкрие още повече тайни, криещи се под воала на черна дупка хоризонт на събитията.

Изследването е ръководено от Леонид Гурвитс, изследовател от Съвместния институт за много дълга базова интерферометрия, Европейски консорциум за изследователска инфраструктура (JIVE ERIC) и Технологичния университет в Делфт. Към него се присъединиха изследователи от Института по радиоастрономия (INAF), Холандския институт за космически изследвания (SRON), Центъра за изчислителна астрофизика на института Flatiron, Центъра за астрофизика Харвард-Смитсън (CfA), Инициативата за черната дупка и множество университети и изследователски институти.






Кредит: Astronomy Cast

Както посочват в своето изследване, свръхвисоката ъглова разделителна способност в астрономията винаги е била разглеждана като врата към големи открития. В този процес, известен като интерферометрия, множество обсерватории събират светлина от един обект, който иначе би бил много труден за разрешаване. През последните години астрономите разчитат на VLBI за откриване на радиация на милиметрови и субмилиметрови дължини на вълната. Съавторът на изследването д-р Zsolt Paragi, колега изследовател от JIVE ERIC, каза по имейл: „Като цяло, изображенията с висока ъглова разделителна способност се постигат в астрономията по три начина: чрез увеличаване на размера на нашите телескопи, наблюдение на светлината при по-къси дължини на вълнатаи елиминиране (или поне компенсиране) на смущенията, причинени от земната атмосфера.

„Радиоастрономията е пионер в развитието на техники за изобразяване, базирани на интерферометрия, когато сигналът от различни телескопи на големи разстояния се комбинира безпроблемно (в нашата терминология: кохерентно). В този случай крайният фактор, който определя разделителната способност на инструмента, е разстоянието между телескопите, което наричаме базови линии.”

Добър пример за това е Event Horizon Telescope (EHT), който засне първото изображение на супермасивна черна дупка (M87) на 10 април 2019 г. Това беше последвано през 2021 г. от изображение на ядрото на галактиката Centaurus A и излъчващата се от него радиоструя. Тези изображения обаче бяха малко повече от бледи кръгове, които представляваха светлината, уловена в хоризонта на събитията SMBH – границата, от която нищо (дори светлината) не може да избяга.

Въпреки това изображението на M87, получено от EHT, представлява първото пряко потвърждение за съществуването на SMBHs и беше първият път, когато бяха изобразени сенките около един. Това изображение също предоставя изглед на падащата материя около свръхмасивната черна дупка, изкривена от изключително силната гравитация. През последните години, каза д-р Параги, се случиха и други разработки в областта на VLBI, които предлагат вкус на това, което предстои:

„Друг ключов резултат през последните години беше доказването на космологичния произход на мистериозните радиосветкавици с продължителност милисекунди, които наричаме бързи радиоизблици. Благодарение на отличната си способност за изображения с висока разделителна способност, Европейската VLBI мрежа осигурява далеч най-високата точност на локализация на небето на тези много кратки сигнали, които са изключително трудни за улавяне дори с най-модерните интерферометри.

„Тези изображения със сантиметрова дължина на вълната не само показват от коя галактика идват сигналите, но също така могат да стеснят позицията на сигнала до малки региони в галактиката, което ще бъде от решаващо значение за разбирането на явлението.

Космически телескоп може да разкрие фотонния пръстен на черна дупка

Симулация на фотонния пръстен за M87*. Кредит: Андрю Чейл и др

Според астрономическата общност следващата логична стъпка е улавянето на фотонния пръстен. В този регион гравитационната сила е толкова силна, че фотоните са принудени да пътуват в орбити. В EHT изображенията голяма част от светлината от този пръстен е била разпръсната, преди да достигне Земята, създавайки относително замъглените изображения, които се получават. За да надгради своя успех, следващото поколение EHT (ngEHT) ще добави десет нови телескопа, като същевременно модернизира тези, които вече са част от мрежата.

Въпреки това, чрез базирани в космоса VLBI масиви, астрономите ще могат да предоставят най-подробните изображения на фотонните пръстени около SMBHs и дори на самите хоризонти на събития, според д-р Параги. В името на своето проучване екипът се занимава с потенциала на бъдещ VLBI космически телескоп, известен като Terahertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics (THEZA), който беше предмет на бяла книга от Guvits, Paragi и много от членове на екипа, автор на тази последна статия.

Този документ беше представен като част от ESA Voyage 2050, отворена покана за предложения за научни мисии от голям клас, която ще се проведе в графика 2035–2050. Подобно на космическите телескопи, които изучават космоса в оптични, инфрачервени, рентгенови, радио и други части от спектъра, тази концепция изисква космически интерферометър за изследване на физиката на пространството-времето в близост до SMBHs. Както го описа д-р Параги:

„Наблюдението от космоса на много къси дължини на вълната от милиметър до подмилиметров ще отвори нови измерения за VLBI. Предимствата на мисия, базирана на концепцията THEZA, са двойни. От една страна, възможността да се спусне под дължините на вълната на Събитието Хоризонт телескоп [or the ngEHT]нова популация от свръхмасивни черни дупки ще бъде достъпно за разрешено изображение на сянка на черна дупка, което е затъмнено за тези инструменти. В допълнение, това ще позволи уникални сонди за въртене на черната дупка и свойства на пространство-времето.”

Екипът прегледа всички елементи на телескопа, включително антенни системи, приемници, усилватели с нисък шум, локални осцилатори, миксери и транспортиране и обработка на данни. Те откриха, че интерферометър, базиран на концепцията THEZA, ще постигне трите основни цели на астрономическа мисия с ултра висока ъглова разделителна способност. Накратко, той ще бъде свободен от смущения от земната атмосфера и ще наблюдава черни дупки при по-високи честоти и по-дълги базови линии от всякога.

Космически телескоп може да разкрие фотонния пръстен на черна дупка

Илюстрация на свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път. Кредит: NRAO/AUI/NSF

„Чрез изучаване на уникални системи, състоящи се от близки двойки супермасивни черни дупки, THEZA може да разкрие процеси, които са довели до ускорен растеж на черната дупка в зората на Вселената, което е имало ярък отпечатък и върху еволюцията на галактиките“, добави д-р Параги. “По-важното е, че THEZA ще разшири хоризонтите ни за подробно измерване на сенките на черна дупка. Това ще доведе до по-добро разбиране на гравитацията, което е важно, защото гравитацията играе основна роля при оформянето на Вселената.”

През следващите години обсерваториите от следващо поколение ще разчитат на подобрени детектори и технологии за предаване на данни, за да осигурят още по-подробна картина на някои от най-мистериозните обекти във Вселената. Те включват предложения като предложения космически телескоп Spektr-M, който се очаква да стартира до 2030 г. Този инструмент ще бъде оборудван с 10 m (33 фута) основно огледало, способно да наблюдава космоса в подмилиметрови до далечни инфрачервени дължини на вълната .

Космическият телескоп Джеймс Уеб (JWST), който достигна своята орбитална дестинация (L2) през януари и беше почти достатъчно студен (към края на април), за да започне работа, скоро ще проведе свои собствени интерферометрични изследвания. Като част от инструмента за почти инфрачервен имиджър и спектрограф без прорези (NIRISS), интерферометърът за маскиране на апертурата (AMI) ще превърне пълната апертура на сегментираните огледала на JWST в интерферометричен масив.

С плановете на НАСА да изпрати астронавти обратно на Луната (като миналото на програмата Артемида) и други космически агенции, които се захващат с програми за лунно изследване, има дори предложения за изграждане на VLBI телескопи от другата страна на Луната – където те биха били безплатни на атмосферни или светлинни смущения.


EHT определя тъмното сърце на най-близката радиогалактика


Повече информация:
Леонид И. Гурвитс и др., Научният случай и предизвикателствата на космическата субмилиметрова интерферометрия. arXiv:2204.09144v2 [astro-ph.IM], arxiv.org/abs/2204.09144

Предоставена от
Вселената днес


Цитат: Космически телескоп може да разкрие фотонния пръстен на черна дупка (2022 г., 4 май), извлечен на 4 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-space-telescope-reveal-black-hole.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.