Et internationalt netværk af radioteleskoper har produceret det første nogensinde nærbillede af et sort huls skygge, som forskere afslørede i morges (10. april). Samarbejdet, kaldet Event Horizon Telescope, bekræftede årtiers forudsigelser om, hvordan lys ville opføre sig omkring disse mørke objekter, og satte scenen for en ny æra med sort hul astronomi.
"Fra en skala fra nul til forbløffende, det var forbløffende," sagde Erin Bonning, en astrofysiker og sort hulforsker ved Emory University, der ikke var involveret i billeddannelsesindsatsen.
”Når det er sagt, var det, hvad jeg forventede,” fortalte hun Live Science.
Meddelelsen, der drilledes i cirka halvanden uge i forvejen, formåede at være både utroligt spændende og næsten fuldstændig blottet for overraskende detaljer eller ny fysik. Fysik blev ikke sammenbrudt. Ingen uventede træk ved sorte huller blev afsløret. Selve billedet var næsten et perfekt match til illustrationer af sorte huller, vi er vant til at se inden for videnskab og popkultur. Den store forskel er, at det er meget slørere.
Der var dog flere vigtige spørgsmål relateret til sorte huller, som dog forblev uopløst, sagde Bonning.
Hvordan producerer sorte huller deres enorme jetfly af varm, hurtig stof?
Alle supermassive sorte huller har evnen til at tygge op nærliggende stof, absorbere det meste af det forbi deres begivenhedshorisonter og spytte resten ud i rummet på nær lyshastighed i blændende tårne, som astrofysikere kalder "relativistiske jetfly."
Og det sorte hul i midten af Jomfru A (også kaldet Messier 87) er berygtet for sine imponerende jetfly, spyrestoffer og stråling overalt i rummet. Dens relativistiske jetfly er så store, at de fuldt ud kan undslippe den omkringliggende galakse.
Og fysikere kender de brede slag af, hvordan dette sker: Materialet accelererer til ekstreme hastigheder, når det falder ned i det sorte huls tyngdekraft godt, så undslipper noget af det, mens den bevares den inerti. Men forskere er uenige om detaljerne i, hvordan dette sker. Dette billede og de tilknyttede papirer tilbyder endnu ingen oplysninger.
At finde ud af det, sagde Bonning, vil være et spørgsmål om at forbinde Event Horizons Teleskopobservationer - som dækker en ret lille mængde plads - med de langt større billeder af relativistiske jetfly.
Mens fysikere endnu ikke har svar, sagde hun, er der en god chance for, at de snart kommer - især når samarbejdet producerer billeder af det andet mål: det supermassive sorte hul Skytten A * i centrum af vores egen galakse, som producerer ikke jetfly som Jomfru A. Sammenligning af de to billeder, sagde hun, kunne muligvis give en vis klarhed.
Hvordan passer generel relativitet og kvantemekanik sammen?
Hver gang fysikere mødes for at tale om en virkelig spændende ny opdagelse, kan du forvente at høre nogen antyde, at det kan hjælpe med at forklare "kvantetyngdekraft."
Det skyldes, at kvantetyngdekraften er den store ukendte i fysik. I cirka et århundrede har fysikere arbejdet med to forskellige regelsæt: Generel relativitet, der dækker meget store ting som tyngdekraft, og kvantemekanik, der dækker meget små ting. Problemet er, at disse to regelbøger direkte modsiger hinanden. Kvantemekanik kan ikke forklare tyngdekraften, og relativitet kan ikke forklare kvanteopførsel.
En dag håber fysikere at knytte de to sammen i en storslået samlet teori, som sandsynligvis involverer en slags kvantetyngdekraft.
Og inden meddelelsen i dag, var der spekulationer om, at det kunne omfatte et gennembrud om emnet. (Hvis den generelle relativitetens forudsigelser ikke var blevet gennemgået i billedet, ville det have ført bolden fremad.) Under en nyhedsbriefing fra National Science Foundation, Avery Broderick, en fysiker ved University of Waterloo i Canada, og en samarbejdspartner på projektet foreslog, at disse slags svar måtte komme.
Men Bonning var skeptisk over for denne påstand. Dette billede var helt overraskende ud fra et generelt relativitetsperspektiv, så det bød ingen ny fysik, der muligvis kan lukke kløften mellem de to felter, sagde Bonning.
Det er alligevel ikke skør, at folk håber på svar fra denne slags observation, sagde hun, fordi kanten af et sort huls skygge bringer relativistiske kræfter ind i små kvantestørrelser.
”Vi ville forvente at se kvantetyngdekraften meget, meget tæt på begivenhedshorisonten eller meget, meget tidligt i det tidlige univers,” sagde hun.
Men ved den stadig uskarpe opløsning af Event Horizons Telescope, sagde hun, er det sandsynligt, at vi ikke finder sådanne slags effekter, selv med planlagte opgraderinger indkommende.
Var Stephen Hawkings teorier lige så korrekte som Einsteins?
Fysikeren Stephen Hawkings største bidrag fra den tidlige karriere til fysik var tanken om "Hawking-stråling" - at sorte huller faktisk ikke er sorte, men udsender små mængder stråling over tid. Resultatet var enormt vigtigt, fordi det viste, at når et sort hul ophører med at vokse, vil det meget langsomt begynde at skrumpe ned fra energitabet.
Men Event Horizons-teleskopet bekræftede eller benægtede ikke denne teori, sagde Bonning, ikke at nogen forventede det.
Kæmpe sorte huller som den i Jomfru A, sagde hun, udsender kun minimale mængder Hawking-stråling sammenlignet med deres samlede størrelse. Mens vores mest avancerede instrumenter nu kan registrere de lyse lys i deres begivenhedshorisonter, er der ingen chance for, at de nogensinde vil drille den ultralydde glød fra en supermassiv sort huls overflade.
Disse resultater, sagde hun, kommer sandsynligvis fra de mindste sorte huller - teoretiske, kortvarige genstande, så små, at du muligvis omslutter hele deres begivenhedshorisont i din hånd. Med muligheden for tæt tæt observationer og meget mere tilgængelig stråling sammenlignet med deres samlede størrelse, kan mennesker i sidste ende finde ud af, hvordan man producerer eller finder en sådan og detekterer dens stråling.
Så hvad lærte vi faktisk af dette billede?
Først lærte fysikere, at Einstein igen havde ret. Kanten af skyggen, så langt som Event Horizons Telescope kan se, er en perfekt cirkel, ligesom fysikere i det 20. århundrede arbejder med Einsteins ligninger af generel relativitet.
”Jeg synes ikke, at nogen skal blive overrasket, når endnu en test af generel relativitet er bestået,” sagde Bonning. "Hvis de var gået på scenen og sagde, at den generelle relativitet var brudt, ville jeg være faldet af min stol."
Resultatet med mere øjeblikkelige, praktiske implikationer, sagde hun, var, at billedet gjorde det muligt for videnskabsmænd til nøjagtigt at måle massen af dette supermassive sorte hul, der ligger 55 millioner lysår væk i hjertet af Jomfru A-galaksen. Det er 6,5 milliarder gange mere massivt end vores sol.
Det er en stor ting, sagde Bonning, fordi det kunne ændre den måde fysikere vejer de supermassive sorte huller i hjertet af andre, fjernere eller mindre galakser.
Lige nu har fysikere en temmelig præcis måling af massen af det supermassive sorte hul i hjertet af Mælkevejen, sagde Bonning, fordi de kan se, hvordan dens tyngdekraft bevæger individuelle stjerner i sit kvarter.
Men i andre galakser kan vores teleskoper ikke se individuelle stjerners bevægelser, sagde hun. Så fysikere sidder fast med råere målinger: Hvordan det sorte huls masse påvirker lys, der kommer fra forskellige lag af stjerner i galaksen, eller hvordan dets masse påvirker lys, der kommer fra forskellige lag fritflydende gas i galaksen.
Men disse beregninger er ufuldkomne, sagde hun.
”Du er nødt til at modellere et meget komplekst system,” sagde hun.
Og de to metoder ender med at give noget forskellige resultater i hver galakse fysikere observerer. Men i det mindste for det sorte hul i Jomfru A ved vi nu, at en metode er korrekt.
"Vores bestemmelse af 6,5 milliarder solmasser ender med at lande lige oven på den tungere massebestemmelse fra," sagde Sera Markoff, en astrofysiker fra University of Amsterdam og en samarbejdspartner om projektet i nyhedsbriefingen.
Det betyder ikke, at fysikere bare vil flytte engros til den tilgang til måling af sorte hulmasser, sagde Bonning. Men det tilbyder et vigtigt datapunkt til forfining af fremtidige beregninger.
