Nobela prēmija un pirmais melnā cauruma attēls

Jūs, iespējams, dzirdējāt ziņas par zinātnieka publicēto pirmo melnā cauruma attēlu. Šis attēls bija pārsteidzoša ziņa ne tikai astronomijas nozarei, bet arī visai pasaulei. Šis attēls bija pirmais solis ceļā uz jaunām informācijas durvīm. Visums ar katru jaunu informāciju kļūst arvien apgaismotāks, un pateicoties tam mēs spējam labāk izprast visus noslēpumus ārpus mūsu planētas.

Nesen mēs redzējām, kā divpadsmit laureātiem tika piešķirta 2020. gada Nobela prēmija un kā viens no viņiem ar saviem pētījumiem un atklājumiem sniedza ievērojamu ieguldījumu cilvēces labā. Viņi visi ir apbrīnojami pētnieki, un mēs labprāt šeit pastāstītu par katru no viņiem, bet šodien, lai labāk izskaidrotu un izprastu pirmā melnā cauruma attēla kontekstu, mēs runāsim par Nobela prēmijas fizikā laureātu Rodžera Penroza, Reinharda Genzela un Andrea Gēza darbu.

Kā teikts Nobela prēmijas oficiālajā tīmekļa vietnē, laureāti tika apbalvoti "par atklājumu, ka melno caurumu veidošanās ir vispārējās relativitātes teorijas drošs paredzējums" un "par supermasīva kompakta objekta atklāšanu mūsu galaktikas centrā". Penrouzs ar iespaidīgām matemātiskām metodēm pierādīja, ka melnie caurumi ir saistīti ar Einšteina relativitātes teoriju, savukārt Reinharda Genzela un Andrea Gēza darbs neapstrīdami pierādīja, ka mūsu Piena Ceļa galaktikas centrā patiešām atrodas melnais caurums, kas šodien pazīstams ar nosaukumu Sagittarius A*.

Lai pilnībā izprastu šo tēmu, mums ir jāzina daži pamatjēdzieni par melnajiem caurumiem, piemēram, "Kas ir melnais caurums?"; "No kā tie sastāv?"; "No kā tie sastāv? Kur mēs tādu varam atrast?"

Pirmais, kas mums jāzina, ir jēdziens, kas tiek bieži izmantots daudzās astronomijas tēmās, proti, jēdziens par to, kas ir telpiskais laiks. Laiks-attālums ir četru dimensiju daudzstūris, trīs telpas dimensijas un viena laika dimensija; koordinātu sistēmā mēs redzam (x,y,z,t). Interesants fakts ir tas, ka vienu punktu šajā koordinātu sistēmā sauc par notikumu. Ņemot to vērā, mēs varam iegūt melnā cauruma definīciju.

Melnais caurums ir telpiskā laika apgabals kur gravitācija ir tik ļoti, bet tik ļoti spēcīga, ka no tās nevar izlauzties neviena gāze, putekļi, daļiņa vai pat gaisma! Tās visas tiek spēcīgi pievilktas ar gravitācijas spēku melnajā caurumā un pazūd, dodoties uz vietu, kas zinātniekiem vēl šodien ir nezināma. Interesantākais ir tas, ka, ja pat gaisma nespēj atbrīvoties no šī spēka, nav iespējams redzēt melno caurumu vai pat zināt, kur tāds ir. Tas ir tāpat kā mēģināt ieraudzīt melnu objektu melnā fonā, jūs to nevarat saskatīt, vai arī, ja jūs to spējat, tas ir ļoti grūti. Tātad, kā zinātnieki to dara?

Teorētiski melnie caurumi parasti veidojas, kad sabrūk ļoti masīva zvaigzne, kas ir daudz smagāka par Sauli, tās dzīves beigās. Masa ir ļoti svarīgs faktors, lai izlemtu, vai mirusī zvaigzne pārvērtīsies par melno caurumu vai neitronu zvaigzni. Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju šī supermasīvā zvaigzne gravitācijas dēļ tiek saspiesta ļoti mazā telpā, un, lai veidotu melno caurumu, šī kompaktā masa var deformēt telpisko laiku.

Šī telpisko laiku deformācija rada gravitācijas paātrinājuma spēku, kas vērsts uz blīvās masas ķermeņa centru. Šī spēka dēļ gāze un daļiņas, kas atrodas tuvu melnajam caurumam vai tā tuvumā, sāk palielināt rotācijas ātrumu un tiek piespiedu kārtā ievilktas melnajā caurumā. Šo parādību sauc par Akrēcijas disks.

Šis gravitācijas un berzes spēks liek visām gāzēm un daļiņām ar elektrisko lādiņu radīt ne tikai temperatūras paaugstināšanos, bet arī dažādu frekvenču elektromagnētisko starojumu, piemēram, infrasarkano vai rentgena starojumu. Pateicoties šai pārsteidzošajai īpašībai, melno caurumu var "redzēt". Tas ir labi, bet neatvieglo zinātnieka darbu simtprocentīgi, jums ir frekvence, ko varat izsekot, bet jūs joprojām nevarat teikt "o, skatieties, tur, debesīs, ir melnais caurums". Melnā cauruma gaismu mēs nevaram pielīdzināt parastas zvaigznes gaismai; tās ļoti atšķiras viena no otras. Taču labā ziņa ir tā, ka melnais objekts no sākuma tagad ir nedaudz izgaismots melnajā fonā.

Pirmajā melnā cauruma attēlā redzams akrēcijas disks. Melnais caurums šajā gadījumā ir 6,5 miljonus reižu smagāks par mūsu Sauli un atrodas Messier 87 galaktikā, 53 miljonus gaismas gadu no Zemes. Attēlu bija iespējams iegūt, izmantojot astoņu dažādu teleskopu visā pasaulē, notikumu apvāršņa teleskopa un dažu citu kosmosa teleskopu misiju laika darbu, kopā tie 2017. gada aprīlī vienlaicīgi uzņēma datus no M87. Katrs no tiem uzņēma atšķirīgus datus no melnā cauruma, pēc tam viss tika salikts kopā, veidojot attēlu. Tas var izklausīties kā vienkārša un viena soļa lieta, taču zinātniekam bija smagi jāstrādā, lai pilnībā izprastu visus datus un to, kā ar tiem rīkoties, kādu algoritmu izmantot un kā to izmantot.

1997. gadā publicētajā rakstā Genzels parādīja, ka piecu dažādu gadu (no 1992. līdz 1996. gadam) vākšanas dati fiksē ātri kustīgas zvaigznes tiešā Sgr A* tuvumā un ka šo zvaigžņu vidū atrodas ļoti liela un smaga tumšā masa. "Pie šāda blīvuma nav stabilas normālu zvaigžņu, zvaigžņu atlieku vai zemzvaigžņu vienību konfigurācijas," teikts rakstā (GENZEL et al., 1997). Secinot, "Piena Ceļa kodolā jābūt masīvam melnajam caurumam".

Citā 1998. gadā publicētajā Žēza (Ghez) rakstā divu gadu pētījumā tika atklāts tāds pats kustīgu sākumu modelis tajā pašā vietā, kā teikts rakstā: "gan zvaigžņu virsmas blīvuma, gan ātruma dispersijas maksimumi atbilst melnā cauruma kandidāta (tolaik vēl kandidāta) Sgr A* stāvoklim" (GHEZ et al., 1998). Pētījumā izmantotie attēli tika iegūti, izmantojot tuvā infrasarkanā starojuma viļņu garumu, proti, tādu frekvenci, kādu izstaro akrēcijas disks.

Šeit ir īss saraksts ar šiem rakstiem:

GENZEL, R. et al. On the nature of the dark mass in the center of the Milky Way. Karaliskās Astronomijas biedrības ikmēneša paziņojumi (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), t. 291, n. 1, p. 219-234, 11 ārā. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Pierādījumi par supermasīvu melno caurumu mūsu galaktikas centrā. Astrofizikas žurnāls, t. 509, n. 2, p. 678-686, 1998. gada decembris.

GHEZ, A. M. et al. Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits. Astrofizikas žurnāls, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.

Vai Visums nav tik skaists?

Tas viss jau ir neticami, bet ir vēl daudz ko darīt, kā teica Nobela fizikas komitejas priekšsēdētājs Deivids Havilands "...šie eksotiskie objekti joprojām rada daudz jautājumu, kas prasa atbildes un motivē turpmākos pētījumus. Ne tikai jautājumi par to iekšējo uzbūvi, bet arī jautājumi par to, kā pārbaudīt mūsu gravitācijas teoriju ekstrēmos apstākļos melnā cauruma tiešā tuvumā". Un mēs būsim šeit, tomēr ar nepacietību gaidām nākamo pārtraukumu! Tikmēr mēs pateicamies šī gada laureātiem Roger Penrose, Reinhard Genzel un Andrea Ghez, jūs esat lieliski!

Ja arī jūs vēlaties izlasīt par Rodžera Penroza darbu, šeit ir daži raksti, kuros aprakstīts viņa darbs. Viens no tiem tika publicēts kopā ar leģendāro Stīvens Hokings. Šos rakstus varat apskatīt arī šeit:

HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time. American Journal of Physics, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1997. gada 1. jūlijs.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Enerģijas saglabāšana kā relatīvās mehānikas pamats. II. American Journal of Physics, t. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. Pieeja gravitācijas starojumam ar griezuma koeficientu metodi. Journal of Mathematical Physics, t. 3, n. 3, p. 566-578, 1962. gada 1. maijs.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Enerģijas saglabāšana kā relatīvās mehānikas pamats. American Journal of Physics, t. 33, n. 1, p. 55-59, 1965. gada 1. janvāris.

Ja jums ir projekts vai prezentācija par jebkuru astronomijas jomu, varat izmantot Mind the Graph, lai padarītu saturu efektīvāku, didaktiskāku un jautrāku! Mēs zinām, ka ir grūti iegūt labus attēlus par šo tēmu, tāpēc mēs esam šeit, lai jums palīdzētu, jūs varat pārbaudīt mūsu saturu par astronomiju. tieši šeit.

Mind the Graph jūs atradīsiet visu nepieciešamo, un, ja jums nav, mēs varam jums palīdzēt!

Uzlabosim komunikāciju zinātnē kopā! Vai esat gatavs izmēģināt?

Nobela prēmija un pirmais melnā cauruma attēls

Abonēt mūsu biļetenu

Par Fabricio Pamplona