Kosminis teleskopas gali atskleisti juodosios skylės fotono žiedą

Nepaisant dešimtmečius trukusių tyrimų, juodosios skylės vis dar yra vieni galingiausių ir paslaptingiausių kada nors tyrinėtų dangaus objektų. Dėl didelių gravitacijos jėgų niekas negali ištrūkti iš juodosios skylės paviršiaus (įskaitant šviesą). Dėl to šių objektų tyrimas tradiciškai apsiribojo jų įtakos objektams ir erdvės laikui šalia jų stebėjimu. Pirmąjį juodosios skylės vaizdą „Event Horizon Telescope“ (EHT) užfiksavo tik 2019 m.

Šis žygdarbis buvo įmanomas dėl technikos, žinomos kaip labai ilga bazinė interferometrija (VLBI), kuri leido mokslininkams pamatyti šviesų žiedą, supantį supermasyvi juodoji skylė (SMBH) M87 galaktikos centre. Naujas tarptautinės astronomų komandos tyrimas parodė, kaip kosminė interferometrijos misija gali atskleisti dar daugiau paslapčių, slypinčių juodosios skylės šyde. įvykių horizontas.

Tyrimui vadovavo Leonidas Gurvitsas, Jungtinio labai ilgo pradinio interferometrijos instituto Europos tyrimų infrastruktūros konsorciumo (JIVE ERIC) ir Delfto technologijos universiteto mokslininkas. Prie jo prisijungė tyrėjai iš Radijo astronomijos instituto (INAF), Nyderlandų kosmoso tyrimų instituto (SRON), Flatiron instituto Kompiuterinės astrofizikos centro, Harvardo-Smithsonian astrofizikos centro (CfA), Juodosios skylės iniciatyvos ir keli universitetai ir tyrimų institutai.

Kaip jie nurodo savo tyrime, itin didelė kampinė skiriamoji geba astronomijoje visada buvo laikoma vartais į pagrindinius atradimus. Šiame procese, vadinamame interferometrija, kelios observatorijos renka šviesą iš vieno objekto, kurį kitaip būtų labai sunku išspręsti. Pastaraisiais metais astronomai rėmėsi VLBI, kad aptiktų spinduliuotę milimetro ir submilimetro bangos ilgiais. Tyrimo bendraautorius Dr. Zsoltas Paragi, bendradarbis su JIVE ERIC tyrėjas, el. paštu sakė: „Apskritai didelės kampinės skiriamosios gebos vaizdavimas astronomijoje pasiekiamas trimis būdais: padidinus mūsų teleskopų dydį, stebint šviesą trumpesni bangos ilgiaiir pašalinant (ar bent jau kompensuojant) Žemės atmosferos sukeliamus trikdžius.

“Radijo astronomija tapo interferometrijos pagrindu sukurtų vaizdo gavimo technikų, kai sklandžiai (mūsų terminologija: nuosekliai) derinami signalai iš skirtingų teleskopų dideliais atstumais. Šiuo atveju pagrindinis veiksnys, lemiantis instrumento skiriamąją gebą, yra atstumas tarp teleskopų, kurį vadiname bazinėmis linijomis.

Geras pavyzdys yra įvykių horizonto teleskopas (EHT), kuris 2019 m. balandžio 10 d. užfiksavo pirmąjį supermasyvios juodosios skylės (M87) vaizdą. Po to 2021 m. buvo nufotografuotas Kentauro A galaktikos branduolio regionas. ir iš jo sklindanti radijo srovė. Tačiau šie vaizdai buvo tik neryškūs apskritimai, vaizduojantys šviesą, įstrigusią SMBH įvykių horizonte – ribą, iš kurios niekas (net šviesa) negali ištrūkti.

Nepaisant to, EHT gautas M87 vaizdas buvo pirmasis tiesioginis SMBH egzistavimo patvirtinimas ir pirmą kartą buvo vaizduojami jį supantys šešėliai. Šis vaizdas taip pat leido matyti aplink supermasyvią juodąją skylę krentančią medžiagą, kurią iškraipo itin stipri gravitacija. Pastaraisiais metais, sakė dr. Paragi, VLBI srityje įvyko ir kitų pokyčių, kurie suteikia galimybę pajusti, kas bus ateityje:

“Kitas svarbus pastarųjų metų rezultatas įrodė paslaptingų, milisekundžių trukmės radijo blyksnių, vadinamų greitaisiais radijo pliūpsniais, kosmologinę kilmę. Dėl puikios didelės raiškos vaizdo gavimo galimybės Europos VLBI tinklas suteikė iki šiol tiksliausią dangaus lokalizaciją. šie labai trumpi signalai, kuriuos itin sunku pagauti net naudojant moderniausius interferometrus.

„Šie centimetro bangos ilgio vaizdai ne tik parodo, iš kurios galaktikos ateina signalai, bet ir gali susiaurinti signalo padėtį iki mažų galaktikos regionų, kurie bus labai svarbūs norint suprasti šį reiškinį.

Astronomijos bendruomenės teigimu, kitas logiškas žingsnis – užfiksuoti fotono žiedą. Šiame regione gravitacinė jėga tokia stipri, kad fotonai yra priversti keliauti orbitomis. EHT vaizduose didžioji dalis šviesos iš šio žiedo buvo išsklaidyta, kol ji pasiekė Žemę, todėl susidarė gana neryškūs vaizdai. Siekdami tęsti savo sėkmę, naujos kartos EHT (ngEHT) pridės dešimt naujų teleskopų, tuo pačiu modernizuodama tuos, kurie jau yra tinklo dalis.

Tačiau, pasak dr. Paragi, astronomai, naudodami kosmose esančias VLBI matricas, galės pateikti išsamiausius fotonų žiedų aplink SMBH vaizdus ir net pačių įvykių horizontus. Siekdama savo tyrimo, komanda nagrinėjo būsimo VLBI kosminio teleskopo, žinomo kaip Terahertz Exploration and Zooming for Astrophysics (THEZA), potencialą, apie kurį Gurvits, Paragi ir daugelis kitų tyrėjų paskelbė baltąją knygą. komandos nariai, kurie parašė šį naujausią straipsnį.

Šis dokumentas buvo pateiktas kaip ESA kelionė 2050, atviro kvietimo teikti pasiūlymus dėl didelės klasės mokslo misijų, kurie vyks 2035–2050 m., dalis. Kaip ir kosminiai teleskopai, tyrinėjantys kosmosą optiniame, infraraudonųjų spindulių, rentgeno, radijo ir kitose spektro dalyse, ši koncepcija reikalauja erdvėje veikiančio interferometro, skirto erdvėlaikio fizikai tirti netoli SMBH. Kaip apibūdino daktaras Paragi:

“Stebėjimas iš kosmoso labai trumpais, nuo milimetro iki submilimetro bangos ilgio, atvers naujas VLBI dimensijas. THEZA koncepcija pagrįstos misijos pranašumai yra dvejopi. Viena vertus, galimybė nukristi žemiau įvykio bangos ilgio. Horizonto teleskopas [or the ngEHT]nauja supermasyvi populiacija Juodosios skylės būtų prieinami išspręstų juodųjų skylių šešėlių vaizdams, kurie yra uždengti tiems instrumentams. Be to, tai leistų sukurti unikalius juodųjų skylių sukimosi ir erdvėlaikio savybių zondus.

Komanda peržiūrėjo visus teleskopo elementus, įskaitant antenų sistemas, imtuvus, žemo triukšmo stiprintuvus, vietinius generatorius, maišytuvus ir duomenų perdavimą bei apdorojimą. Jie nustatė, kad THEZA koncepcija pagrįstas interferometras pasiektų tris pagrindinius itin didelės kampinės skiriamosios gebos astronomijos misijos tikslus. Trumpai tariant, jis netrukdys Žemės atmosferai ir stebės juodąsias skyles aukštesniu dažniu ir ilgesnėmis bazinėmis linijomis nei bet kada anksčiau.

„Tyrinėdama unikalias sistemas, susidedančias iš artimų supermasyvių juodųjų skylių porų, THEZA gali atskleisti procesus, dėl kurių paspartėjo juodųjų skylių augimas Visatos aušroje, o tai taip pat turėjo ryškų įspūdį galaktikų evoliucijoje“, – pridūrė daktaras Paragi. “Dar svarbiau, kad THEZA praplės mūsų akiratį detaliems juodosios skylės šešėlių matavimams. Tai leis geriau suprasti gravitaciją, o tai svarbu, nes gravitacija vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant visatą.”

Ateinančiais metais naujos kartos observatorijos remsis patobulintais detektoriais ir duomenų perdavimo technologijomis, kad pateiktų dar išsamesnį kai kurių paslaptingiausių visatos objektų vaizdą. Tai apima tokius pasiūlymus kaip siūlomas kosminis teleskopas Spektr-M, kuris turėtų būti paleistas iki 2030 m. Šiame prietaise bus įrengtas 10 m (33 pėdų) pirminis veidrodis, galintis stebėti kosmosą submilimetro ir tolimųjų infraraudonųjų spindulių bangų ilgiais. .

James Webb kosminis teleskopas (JWST), kuris savo orbitinį tikslą (L2) pasiekė sausio mėnesį ir buvo pakankamai šaltas (balandžio pabaigoje), kad galėtų pradėti veikti, netrukus atliks savo interferometrijos tyrimus. Kaip infraraudonųjų spindulių vaizdo ir beplyšio spektrografo (NIRISS) instrumento dalis, diafragmą maskuojantis interferometras (AMI) pavers visą JWST segmentuotų veidrodžių diafragmą interferometrine matrica.

NASA planams išsiųsti astronautus atgal į Mėnulį (kaip buvo Artemis programos praeityje) ir kitose kosmoso agentūrose, kurios pradeda Mėnulio tyrinėjimo programas, netgi siūloma statyti VLBI teleskopus tolimoje Mėnulio pusėje, kur jie būtų laisvi. atmosferos ar šviesos trukdžių.