Svarthol stíga fram á sjónarsviðið

Árið 2019 fengum við að sjá fyrstu myndina af svartholi. Nú ætla vísindamenn að nota risavaxið net sjónauka til að taka upp myndskeið af hinu ofurþunga svartholi í miðju Vetrarbrautarinnar. Það kann að afhjúpa hvað gerist þegar reynt er á ýtrustu þolmörk kenninga okkar um alheim.

LESTÍMI: 15 MÍNÚTUR

 

Þokukennd mynd með dálitlu af gulu og rauðgulu ljósi með hringlaga dökkum skugga í miðjunni virtist ekkert sérlega merkileg þegar hún var fyrst birt þann 10. apríl 2019. En í raun markaði hún þáttaskil:

 

Fyrsta myndin nokkru sinni af svartholi eða réttara sagt – af öllu því sem er í kringum svarthol. Eins og nafnið gefur til kynna eru svarthol í sjálfu sér ósýnileg þar sem feiknarlegur þyngdarkraftur þeirra sogar allt í sig og hindrar m.a. ljós í að sleppa burt.

 

En myndin sýndi engu að síður með skilmerkilegum hætti svarthol, þannig að stjarnfræðingarnir sem stóðu að framtakinu gátu sagt að þeir hefðu í fyrsta sinn „séð það sem við héldum að væri ómögulegt að sjá“.

 

Svarthol eru þrátt fyrir ljósfælni sína eitthvert mest rannsakaða fyrirbæri stjörnufræðinnar. Bæði er það vegna þess hve dularfull þau eru og eins gegna þau afgerandi hlutverki fyrir þróun alheims og myndun stjörnuþoka, stjarna og plánetna – og verka einnig á okkur hér á jörðu.

 

Þess vegna reyna stjarnfræðingar að fanga allt það sem á sér stað nærri svartholum þegar gríðarleg þyngdaráhrif þeirra hræra upp í tíma og rúmi í umhverfi sínu.

 

Af þessum sökum voru mörg hundruð sérfræðingar í nokkur ár að greina ytri geim með hjálp hnattræns netverks sjónauka, þar til þeir gátu púslað saman þokukenndum gulum og rauðgulum hring utan um myrkan skugga.

 

Dauðar stjörnur eru ósýnilegar

Jafnvel ljósið sleppur ekki frá svartholi. En vísindamenn geta greint að þessar svörtu ryksugur eru í raun til, því öflug þyngdarsvið þeirra verka á allt sem er umhverfis þau.

Stjörnur umlykja svartholin

Stjarnfræðingar uppgötva jafnan tilvist svarthola þegar stjörnur virðast vera á brautum utan um ekkert – þ.e.a.s. fyrirbæri sem er afar massíft en sendir enga geislun. Það getur einungis verið svarthol.

Geislun sýnir gríðarlega orku

Ljós og önnur geislun sleppur ekki frá svartholi en skífan í kringum það sendir frá sér öfluga geislun, þar sem gas og ryk þeytist um og hitnar upp í margar milljónir gráða.

Þyngdarbylgjur bjaga rúmið

Þegar tvö svarthol renna saman losnar um orku í formi þyngdarbylgna sem rúlla í gegnum rúmið og bjaga það. Bylgjurnar má mæla á jörðu með afar næmum búnaði.

 

En stjarnfræðingar eru rétt að hefjast handa. Nú beina þeir sjónaukunum að því svartholi sem leynist í hjarta Vetrarbrautarinnar – ekki til að taka skyndimynd heldur til að taka upp myndskeið sem getur sýnt hvort lögmál eðlisfræðinnar haldi þegar reynir á þau í slíkum öfgum. 

 

Umhverfið afhjúpar svarthol

Í stuttu máli er svarthol samanpressaður massi á litlu svæði. Þyngdarkrafturinn verður sterkari og sterkari nær miðju og í sjálfri miðjunni er svo mikill massi samankominn á hverfandi litlu svæði að krafturinn verður óendanlega mikill – svo mikill að hann sveigir bæði rúm og tíma umhverfis sig.

 

Slíkur punktur nefnist sérstæða. Það var Albert Einstein sem kynnti sérstæðu til sögunnar þegar hann kom fram með almennu afstæðiskenningu sína árið 1915 en hún er besta lýsing okkar á eðli þyngdarkraftsins.

 

Mynd af svartholi er í raun „skuggamynd“. Ljóseindir á bak við svartholið mynda útlínur þess en þær sveigjast vegna þyngdaraflsins og berast síðan til jarðar.

 

Einstein efaðist reyndar um að sérstæður væru til. En núna eru þær eina skýring stjarneðlisfræðinga á þeim fyrirbærum sem við getum greint umhverfis svarthol.

 

Massaþéttnin í þeim er svo ógurleg að vísindamenn líta á þau sem eigin rannsóknarstofu náttúrunnar, þar sem við getum kannað skilning okkar á þyngdarkraftinum og hvort hann standist.

 

Umhverfis svartholið er gríðarlegt magn af ryki og gasi í svonefndu orkuhvolfi (e. ergosphere). Innsti hluti hvolfsins sogast smám saman niður í svartholið vegna þyngdarkraftsins.

 

Þegar efni kemst nægjanlega nærri svartholinu fer það yfir svonefndan sjóndeildarflöt sem markar kannski ein furðulegustu mæri eðlisfræðinnar: Ef hlutur eða ljós fer yfir þessi mörk getur það aldrei komið til baka. Sjóndeildarflöturinn afmarkar þannig hvað við getum séð inn í svarthol. 

 

MYNDBAND: Sérfræðingar svara spurningum- ,,Af hverju er myndin svona óskýr?”

 

Stjarnfræðingar rannsaka því svarthol með því að greina hvað gerist allra næst þeim. Þyngdarkraftur svarthola fær sem dæmi stjörnur til að vera á brautum um þau og hægt er að reikna út massa þeirra út frá massa stjarnanna og brautarhraða.

 

Næst svartholinu berst síðan feiknarleg geislun sem við getum mælt hér á jörðu. Geislunin stafar af ofurheitu gasi.

 

Nærri sjóndeildarfletinum er þyngdarsviðið svo sterkt að einstakir þættir geislunarinnar, ljóseindir, festast á brautum umhverfis svartholið.

 

Brautirnar eru óstöðugar og því munu ljóseindirnar ýmist falla niður í svartholið eða þeytast í burtu. Sumar ljóseindir berast í átt til okkar og koma til jarðar eftir milljónir ára, hafi þær ekki rekist á hindranir á leiðinni en þær sveigjast vegna þyngri fyrirbæra eða þær eru gleyptar upp af vatnsgufu í lofthjúp jarðar á síðasta hluta leiðarinnar.

 

Risavaxið net sjónauka skerpir sýn á svarthol

Event Horizon Telescope samanstendur af 11 sjónaukum sem til samans mynda einn sjónauka með skerm sem er álíka stór og jörðin. Hver sjónauki nær hluta skermsins og leggur sitt af mörkum í heildarmyndina.

Geislun frá svartholi berst til jarðar

Stjarnfræðingar greina svarthol með sjónaukum sem fanga útvarpsbylgjur. Ólíkt sýnilegu ljósi ná þær auðveldlega í gegnum lofthjúp jarðar og niður til yfirborðsins.

Sjónaukar skoða helming sólarhringsins 

Vegna snúnings jarðar hefur hver sjónauki útsýn til svarthols, helming sólarhringsins. Þegar sjónaukar eru á „rangri“ hlið jarðar taka aðrir í netinu við. 

Snúningur eykur skerpu myndarinnar

Hver sjónauki nær á sínum skoðunartíma yfir smá „strik“ á punktalínum á „skerminum“, þar sem jörðin snýst. Þetta eykur upplausnina á myndunum.

 

Geislun frá svartholum nær ekki til jarðar í formi sýnilegs ljóss, heldur sem útvarpsbylgjur. Stjarnfræðingar fanga bylgjurnar með hnattrænu netverki útvarpssjónauka sem nefnist Event Horizon Telescope (EHT) sem getur mælt geislun með bylgjulengd sem nemur 1,3 mm.

 

Útvarpssjónaukar EHT mældu geislun frá svartholinu M87* í apríl 2017 og á sjö dögum safnaði EHT fimm petabætum af gögnum um svartholið. Það samsvarar sjálfsmyndum frá 40.000 manns á allri ævi þeirra.

 

Svona mikið gagnamagn er betra að flytja með farartækjum heldur en að senda það með netinu þannig að hörðu diskunum var flogið í gagnabanka, þar sem athuganirnar voru settar saman.

 

Vísindamennirnir „þýddu“ útvarpsbylgjur í sýnilega liti – gulur stendur fyrir sterkustu geislunina, rauður fyrir öllu vægari og svartir pixlar það þegar engin geislun mældist.

 

Það var með þessum hætti sem EHT-fræðimenn gátu um tveimur árum síðar kynnt afrakstur vinnu sinnar, myndina sem varð heimsfræg.

 

Myndin var einkum byltingarkennd því þetta var í fyrsta sinn sem við sjáum sjálfan sjóndeildarflötinn. Við getum séð hann sem hringlaga dökka skífu sem er umkringd gulu og rauðgulu ljósi. Stjarnfræðingar EHT hafa reiknað út að sjóndeildarflötur M87* er með þvermál sem er um 39,2 milljarðar km. 

 

39,2 milljarðar km er þvermál svartholsins M87*, varð þekkt um allan heim árið 2019.

Svarthol Vetrarbrautarinnar vekur furðu stjarnfræðinga 

Vetrarbrautin snýst um ofurþunga svartholið Sagittarius A*. Stjarnfræðingar vilja rannsaka geislun holsins nánar til að fá svör við mörgum ráðgátum um þessa biksvörtu miðju stjörnuþoku okkar. Þeir vilja t.d. skýra hvers vegna Sagittarius A* virðist gleypa í sig minna efni en önnur svarthol. 

Af hverju gleypir svartholið svo lítið í sig? 

Geislun frá Sagittarius A* bendir til að það dragi mjög lítið gas og ryk til sín úr orkuhvolfinu samanborið við önnur svarthol. Skýringuna kann að vera að finna í segulsviði þess sem þvingar efnið í orkuhvolfinu út á stöðugar brautir en gleypir það ekki. Segulsviðið er m.a. rannsakað með SOPHIA-sjónaukanum sem er um borð í Boeing 747. 

Hve mikill massi er í svartholinu? 

Massi Sagittarius A* er yfirleitt gefinn sem 4 milljónir sólmassa en stjarnfræðingar vita ekki nákvæma „þyngd“ þess. Til þessa hefur massinn verið reiknaður út með því að athuga stjörnur sem eru á sporöskjulaga brautum nærri svartholinu. Árið 2008 reiknuðu bandarískir sérfræðingar stærðina vera 3,7 milljónir sólmassa en þýskir fengu niðurstöðuna 4,3 milljónir sólmassa ári síðar.

Eru svarthol með skotstrauma? 

Ofurþung svarthol hafa oftast svokallaða skotstrauma sem þjóta hornrétt út frá innsta lagi orkuhvolfsins. Stjarnfræðingar við The University of Sydney hafa greint tvo risavaxna gasstrauma sem teygjast út frá Sagittarius A*. Greiningarnar sýndu að svartholið gleypti gríðarstórt gasský fyrir 3,5 milljónum ára og að hluti gassins þeyttist síðan hver í sína áttina með ægilegu afli. 

Hvers vegnar blossar geislunin upp? 

Í maí 2019 jókst geislun frá Sagittarius A* skyndilega í tvöfaldan styrk. Stjarnfræðingar vita ekki enn hvers vegna en ein kenning er sú að stjarnan SO-2 hafi farið mjög nærri svartholinu og það hafi fengið gas umhverfis það til að þjappast saman og fara síðan með miklum hraða inn að svartholinu – með risavaxinni orkulosun í kjölfarið. 

 

Svarthol Vetrarbrautar er sem barn 

M87* vegur um 6,5 milljarðafaldan massa sólar og er svonefnt ofurþungt svarthol. Í miðju Vetrarbrautar finnst einnig ofurþungt svarthol.

 

Það nefnist Sagittarius A* og gjörvöll stjörnuþokan snýst um það. Munurinn á M87* og Sagittarius A* er sá að svarthol Vetrarbrautarinnar er um 1.600 sinnum léttara.

 

Jafnframt er það um 2.000 sinnum nær okkur. Mismunur í massa og fjarlægð veldur því að séð frá jörðu virðist ekki mikill munur á stærð svartholanna. 

 

En munurinn felur í sér aðra og veigameiri merkingu: Hraða M87* er sem betur fer hægt að mynda þar sem stjarnfræðingar geta tekið myndir af því með löngum „lokunartíma“.

 

Þetta geta þeir þar sem geislunin frá svartholinu helst nær óbreytt yfir margar klukkustundir þar sem gasið snýst afar hægt um svartholið. Gasið hreyfist svona hægt því það er langt frá þeim punkti sem allur massi svartholsins safnast saman um – massamiðpunktinum.

 

Þessu er öfugt farið með Sagittarius A*. Gasið þar hreyfist hraðar umhverfis svartholið því það er nær massamiðpunkti.

 

Vísindamenn líkja M87* við fullorðinn einstakling sem situr kyrr meðan tekin er mynd af honum, meðan Sagittarius A* er eins og lítið barn sem þeytist um í myndrammanum. Og lausnin felst í að taka upp myndskeið í stað þess að taka eina mynd.

 

Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) í Japan er nýtt tæki sem getur greint þyngdarbylgjur sem geta stafað af árekstri svarthola.

 

Vísindamennirnir vilja stilla sjónaukana í EHT til að taka upp útvarpsbylgjugeislun með styttri bylgjulengd, nefnilega 0,87 mm í staðinn fyrir 1,3 mm.

 

Þetta getur aukið skerpu myndavélarinnar um 30 – 50%. Auk þess hyggjast þeir tengja saman upptökur frá fleiri sjónaukum en áður.

 

Þrír sjónaukar sem eru á Grænlandi, í Frakklandi og Arizona í BNA eru spyrtir við EHT þannig að upptökur frá allt að 11 sjónaukum verða á endanum settar saman.

 

Að lokum munu vísindamennirnir nýta sér tölvuforrit sem nefnist StarWarps til að fella myndirnar saman í samhangandi myndskeið. StarWarps getur greint röð mynda og reiknað út hvernig þær myndir sem liggja á milli ættu að líta út.

 

Þar með getur forritið bætt myndskeiðið með tölvugerðum myndum þannig að það sem annars myndi líkjast röð einstakra mynda verður að lifandi myndskeiði. 

 

Svarthol geyma mörg svör 

Myndskeið af svartholi í miðju Vetrarbrautar getur hjálpað okkur við að leysa margar spurningar; Sem dæmi vilja vísindamenn gjarnan vita meira um hvernig segulsvið svarthols „ýtir“ til efni í orkuhvolfinu.

 

Kenningin segir að þyngdarkraftur frá svartholi ásamt snúningi þess snúi upp á segulsvið sem verkar á hlaðnar agnir umhverfis holið.

 

Sumar agnirnar falla inn í svartholið meðan aðrar þeytast í burtu en vísindamenn vita ekki hve mikið efni þeytist hingað eða þangað.

 

Myndskeið af efninu umhverfis Sagittarius A* getur kannski veitt þeim svör. Agnirnar geta einnig endað í svonefndum skotstraumum sem er að finna hjá mörgum svartholum og samanstanda af hlöðnum ögnum sem skjótast út frá innsta jaðri orkuhvolfsins. 

 

Tölvur umbreyta myndum í myndskeið af svartholum 

Vísindamenn við hnattræna sjónaukanetið Event Horizon Telescope (EHT) hyggjast búa til myndskeið af svartholinu í miðju Vetrarbrautar. Þeir hafa þróað tækni sem samþættar athuganir sjónauka og tölvugerðar myndir í myndskeið. 

Sjónaukar framkvæma nákvæmar athuganir

Geislun frá svartholinu í miðju Vetrarbrautar nær til 11 sjónauka EHT á jörðu. Tíminn fyrir hverja greiningu er skráður af atómklukku sem tapar einungis sekúndu á 10 milljón árum. 

Hörðum diskum með gögnum er flogið þvert yfir hnöttinn 

Um 0,5 tonn af diskum, fullum af gögnum, er flogið frá sjónaukunum til Cambridge, BNA og Bonne, Þýskalandi, þar sem ofurtölvur flétta saman allar greiningarnar. 

Greiningum frá öllum hnettinum safnað saman 

Hver sjónauki leggur sinn litla hluta í eina heildarmynd þar sem vísindamenn nota sýnilega liti til þess að sýna styrk útvarpsbylgjanna frá svartholinu.

Tölvan fyllir upp í götin milli myndanna

Hver mynd af svartholinu er „framkölluð“ út frá fleiri mínútna athugunum frá hverjum sjónauka. Tölvuforrit sem nefnist StarWarps skrásetur smábreytingar sem eiga sér stað á „lokunartímanum“. Út frá þeim greiningum skapar StarWarps trúverðugustu myndirnar á milli þannig að niðurstaðan verður eitt samhangandi myndskeið. 

 

Önnur spurning sem myndskeiðin kunna að geta svarað er hvernig ofurþung svarthol urðu til í upphafi. Ofurþung svarthol finnast í hjarta flestra stjörnuþoka og myndast samhliða stjörnuþokunum.

 

En sum ofurþung svarthol, allt að 30 milljarðar sólmassa, eru samkvæmt kenningunni of langt í burtu – til dæmis svartholið J2157. Ljósið sem við greinum frá því var sent út þegar alheimur var einungis 1,2 milljarða ára gamall.

 

Samkvæmt kenningunni ættu svarthol sem eru meira en 20 milljarðar sólmassar ekki að finnast svo snemma í sögu alheims. Myndskeið af Sagittarius A* gæti veitt vísindamönnum vísbendingu um hvernig þessi myrka miðja vetrarbrautar myndaðist og þar með einnig hvernig „forboðin“ svarthol verða til.

 

Stjarnfræðingar við EHT munu einnig mynda önnur svarthol. Draumurinn er að búa til myndaskrá sem veitir þeim möguleika á að bera saman ofurþung svarthol á mismunandi aldri svo þeir geti greint þróun þeirra. 

 

„Vandinn við þyngdarskammtafræði er óleystur og svarthol kunna að veita okkur svör.

Avery Broderick
Stjarneðlisfræðingur

 

Núna er EHT dreift um allan hnöttinn til að safna sem best geislun en stjarnfræðingar vonast til að fá netverk af gervihnattasjónaukum.

 

Það myndi veita EHT ennþá stærra þvermál og jafnframt geta gervihnettirnir fangað geislun sem lofthjúpur jarðar gleypir annars í sig.

 

Vísindamenn við Radboud University í Hollandi hafa reiknað út að slíkar betrumbætur myndu veita allt að fimm sinnum meiri upplausn myndanna en með núverandi EHT. 

 

Svona er ósýnilegt fyrirbæri myndað

Í þessari vísindagrein útskýra vísindamenn, sem tóku fyrstu myndina af svartholi, hvernig þeir ætla að nota nýja tölvutækni til að taka myndband af svartholinu í miðju Vetrarbrautarinnar, Sagittarius A*

 

Myndaskrá í hárri upplausn er einungis byrjunin á því hverju má ná með EHT, verði verkefnið flutt út í geim. Markmið vísindamanna er að breyta sjálfum vísindunum – með því að sanna að sameina megi tvær helstu kenningar eðlisfræðinnar.

 

Afstæðiskenning Einstein útskýrir alheim á stórum skala og er ennþá besta skýringin á gerð svarthola. En það hefur verið ógjörningur að samþætta hana skammtafræðinni sem útskýrir allra minnstu agnirnar.

 

Stjarneðlisfræðingar hafa þegar fundið nafn á kenninguna sem kannski getur sameinað þær tvær: skammtaþyngdaraflsfræði (e. quantum gravity). Og sannanir fyrir þessari kenningu – sem myndi verða ein helsta bylting í eðlisfræðinni í meira en 100 ár – kunna að leynast umhverfis svartholið. 

 

Sumir vísindamanna eins og vísindamaður hjá EHT, kanadíski eðlisfræðingurinn Avery Broderick, segir: „Það besta sem við gætum gert er að útiloka Einstein með því að sýna að í þessum öfgafulla þyngdarmassa leynist eitthvað splunkunýtt í eðlisfræðinni. Það eru ótal ráðgátur sem tengjast svartholum og við vitum að það hljóta að finnast fleiri svör.“

 

 

Birt: 13.10.2021

 

 

 

JENS MATTHIESEN

 

 

Lestu einnig:

(Visited 647 times, 1 visits today)

Tengdar Greinar

FULLUR AÐGANGUR AÐ VEFNUM Í 14 DAGA FYRIR 0 KRÓNUR

PRÓFAÐU 14 DAGA FYRIR 0 KRÓNUR