Svemirski teleskop mogao bi otkriti fotonski prsten crne rupe


Svemirski teleskop mogao bi otkriti fotonski prsten crne rupe

Različiti putevi fotona stvaraju slojeve svjetlosti. Zasluge: George Wong (UIUC) i Michael Johnson (CfA)

Unatoč desetljećima proučavanja, crne rupe su još uvijek među najmoćnijim i najmisterioznijim nebeskim objektima ikad proučavanim. Zbog ekstremnih gravitacijskih sila koje su uključene, ništa ne može pobjeći površini crne rupe (uključujući svjetlost). Kao rezultat toga, proučavanje ovih objekata tradicionalno je bilo ograničeno na promatranje njihovog utjecaja na objekte i prostor-vrijeme u njihovoj blizini. Tek 2019. godine teleskop Event Horizon (EHT) snimio je prvu sliku crne rupe.

Ovaj podvig je omogućen zahvaljujući tehnici poznatoj kao Very-Long Baseline Interferometry (VLBI), koja je omogućila znanstvenicima da vide svijetli prsten koji okružuje supermasivna crna rupa (SMBH) u središtu galaksije M87. Nova studija međunarodnog tima astronoma pokazala je kako bi svemirska interferometrijska misija mogla otkriti još više tajni koje se skrivaju u velu crne rupe horizont događaja.

Istraživanje je vodio Leonid Gurvits, istraživač Zajedničkog instituta za europsku istraživačku infrastrukturu konzorcija za vrlo dugu početnu interferometriju (JIVE ERIC) i Tehnološkog sveučilišta Delft. Pridružili su mu se istraživači s Instituta za radioastronomiju (INAF), Nizozemskog instituta za svemirska istraživanja (SRON), Centra za računsku astrofiziku Instituta Flatiron, Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku (CfA), Inicijative Black Hole i više sveučilišta i istraživačkih instituta.






Zasluge: Astronomy Cast

Kao što navode u svojoj studiji, ultravisoka kutna rezolucija u astronomiji se uvijek smatrala ulazom u velika otkrića. U ovom procesu, poznatom kao interferometrija, više zvjezdarnica prikuplja svjetlost iz jednog objekta koji bi inače bilo vrlo teško razlučiti. Posljednjih godina astronomi su se oslanjali na VLBI za otkrivanje zračenja na milimetarskoj i submilimetarskoj valnim duljinama. Koautor studije dr. Zsolt Paragi, kolega istraživač s JIVE ERIC-a, rekao je putem e-pošte: “Općenito, snimanje visoke kutne rezolucije postiže se u astronomiji na tri načina: povećanjem veličine naših teleskopa, promatranjem svjetlosti na kraće valne duljinete otklanjanje (ili barem kompenziranje) poremećaja uzrokovanih Zemljinom atmosferom.

“Radioastronomija je bila pionir u razvoju tehnika snimanja zasnovanih na interferometriji, kada se signal s različitih teleskopa na velikim udaljenostima neprimjetno (u našoj terminologiji: koherentno) kombinira. U ovom slučaju, krajnji čimbenik koji određuje moć razlučivanja instrumenta je udaljenosti između teleskopa, koje nazivamo osnovnim linijama.”

Dobar primjer za to je Event Horizon Telescope (EHT), koji je snimio prvu sliku supermasivne crne rupe (M87) 10. travnja 2019. Nakon toga je 2021. uslijedila slika područja jezgre galaksije Centaurus A i radijski mlaz koji je izbijao iz njega. Međutim, te su slike bile nešto više od blijedih krugova, koji su predstavljali svjetlo zarobljeno unutar horizonta događaja SMBH – granice iz koje ništa (čak ni svjetlost) ne može pobjeći.

Ipak, slika M87 dobivena od strane EHT-a predstavljala je prvu izravnu potvrdu postojanja SMBH-a i bila je to prvi put da su snimljene sjene oko jednog. Ova je slika također pružala pogled na tvar koja pada oko supermasivne crne rupe, izobličena iznimno jakom gravitacijom. Posljednjih godina, rekao je dr. Paragi, dogodili su se i drugi razvoji na području VLBI koji nude okus onoga što dolazi:

“Još jedan ključni rezultat posljednjih godina bio je dokazivanje kozmološkog podrijetla tajanstvenih radijskih bljeskova u trajanju od milisekunde koje nazivamo brzim radio rafalima. Zbog svoje izvrsne mogućnosti snimanja slike visoke razlučivosti, europska VLBI mreža omogućila je daleko najprecizniju lokalizaciju neba od ovi vrlo kratki signali, koje je iznimno teško uhvatiti čak i najsuvremenijim interferometrima.

“Ove slike centimetarske valne duljine ne samo da pokazuju iz koje galaksije dolaze signali, već također mogu suziti položaj signala na male regije unutar galaksije što će biti ključno za razumijevanje fenomena.”

Svemirski teleskop mogao bi otkriti fotonski prsten crne rupe

Simulacija fotonskog prstena za M87*. Zasluge: Andrew Chael, et al

Prema astronomskoj zajednici, sljedeći logičan korak je hvatanje fotonskog prstena. U ovom području, gravitacijska sila je toliko jaka da su fotoni prisiljeni putovati u orbitama. Na EHT slikama, velik dio svjetlosti iz ovog prstena bio je raspršen prije nego što je stigao do Zemlje, stvarajući relativno zamućene slike koje su rezultirale. Kako bi nadogradili svoj uspjeh, EHT sljedeće generacije (ngEHT) će dodati deset novih teleskopa uz modernizaciju onih koji su već dio mreže.

Međutim, kroz svemirske VLBI nizove, astronomi će moći pružiti najdetaljnije slike fotonskih prstenova oko SMBH, pa čak i samih horizonta događaja, prema dr. Paragiju. Radi svoje studije, tim se pozabavio potencijalom budućeg VLBI svemirskog teleskopa poznatog kao Terahertz istraživanje i zumiranje za astrofiziku (THEZA), koji je bio predmet bijele knjige Gurvitsa, Paragija i mnogih članovi tima koji su autori ovog najnovijeg rada.

Ovaj je rad dostavljen kao dio ESA Voyage 2050, otvorenog poziva za prijedloge velikih znanstvenih misija koje će se održati u vremenskom okviru 2035.–2050. Poput svemirskih teleskopa koji proučavaju kozmos u optičkim, infracrvenim, rendgenskim, radijskim i drugim dijelovima spektra, ovaj koncept zahtijeva svemirski interferometar za proučavanje fizike prostor-vremena u blizini SMBH-a. Kako je to opisao dr. Paragi:

“Promatranje iz svemira na vrlo kratkim, milimetarskim do submilimetarskim valnim duljinama otvorit će nove dimenzije VLBI-u. Prednosti misije temeljene na konceptu THEZA su dvostruke. S jedne strane, mogućnost ići ispod valnih duljina Događaja Horizont teleskop [or the ngEHT]nova populacija supermasiva Crne rupe bio bi dostupan za razriješeno snimanje sjene crne rupe, što je za te instrumente zatamnjeno. Osim toga, to bi omogućilo i jedinstvene sonde spina crne rupe i prostor-vremenskih svojstava.”

Tim je pregledao sve elemente teleskopa, uključujući antenske sustave, prijemnike, niskošumna pojačala, lokalne oscilatore, miksere te prijenos i obradu podataka. Otkrili su da bi interferometar temeljen na konceptu THEZA postigao tri glavna cilja astronomske misije ultra-visoke kutne rezolucije. Ukratko, bit će bez smetnji iz Zemljine atmosfere i promatrati crne rupe na višim frekvencijama i dužim osnovnim linijama nego ikada prije.

Svemirski teleskop mogao bi otkriti fotonski prsten crne rupe

Ilustracija supermasivne crne rupe u središtu Mliječne staze. Zasluge: NRAO/AUI/NSF

“Proučavanjem jedinstvenih sustava koji se sastoje od bliskih parova supermasivnih crnih rupa, THEZA može otkriti procese koji su doveli do ubrzanog rasta crne rupe u zoru svemira, što je također imalo snažan pečat na evoluciju galaksija”, dodao je dr. Paragi. “Što je još važnije, THEZA će proširiti naše horizonte za detaljno mjerenje sjene crne rupe. To će rezultirati boljim razumijevanjem gravitacije, što je važno jer gravitacija igra temeljnu ulogu u oblikovanju svemira.”

U nadolazećim godinama, zvjezdarnice sljedeće generacije oslanjat će se na poboljšane detektore i tehnologije prijenosa podataka kako bi pružili još detaljniju sliku nekih od najtajanstvenijih objekata u svemiru. To uključuje prijedloge kao što je predloženi svemirski teleskop Spektr-M, za koji se očekuje da će biti lansiran do 2030. Ovaj instrument će biti opremljen primarnim zrcalom od 10 m (33 ft) koji će moći promatrati kozmos u submilimetarskim do daleko infracrvenim valnim duljinama .

Svemirski teleskop James Webb (JWST), koji je u siječnju stigao na svoje orbitalno odredište (L2) i bio je gotovo dovoljno hladan (krajem travnja) da počne s radom, uskoro će provesti vlastita istraživanja interferometrije. Kao dio instrumenta Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), Interferometar za maskiranje otvora (AMI) pretvorit će puni otvor JWST segmentiranih zrcala u interferometrijski niz.

Uz NASA-ine planove da pošalje astronaute natrag na Mjesec (kao prošlost programa Artemis) i druge svemirske agencije koje se upuštaju u programe istraživanja Mjeseca, postoje čak i prijedlozi za izgradnju VLBI teleskopa na suprotnoj strani Mjeseca – gdje bi bili besplatni atmosferskih ili svjetlosnih smetnji.


EHT precizira tamno srce najbliže radiogalaksije


Više informacija:
Leonid I. Gurvits et al, Znanstveni slučaj i izazovi svemirske submilimetarske interferometrije. arXiv:2204.09144v2 [astro-ph.IM], arxiv.org/abs/2204.09144

Omogućio
Svemir danas


Citat: Svemirski teleskop mogao bi otkriti fotonski prsten crne rupe (2022., 4. svibnja) preuzet 5. svibnja 2022. sa https://phys.org/news/2022-05-space-telescope-reveal-black-hole.html

Ovaj dokument podliježe autorskim pravima. Osim poštenog poslovanja u svrhu privatnog proučavanja ili istraživanja, niti jedan dio se ne smije reproducirati bez pisanog dopuštenja. Sadržaj je dat samo u informativne svrhe.