Nobelpriset och den första bilden av ett svart hål

Du har säkert hört nyheten om den första bilden av ett svart hål som publicerats av en forskare. Bilden var en fantastisk nyhet, inte bara för astronomin utan för hela världen. Den här bilden var det första steget mot en ny dörr av information. Universum blir alltmer upplyst med ny information och på grund av detta kan vi bättre förstå alla mysterier bortom vår planet.

Nyligen såg vi tolv pristagare tilldelas 2020 års Nobelpris, och hur en av dem på ett anmärkningsvärt sätt bidragit till mänskligheten med sin forskning och sina upptäckter. De är alla fantastiska forskare och vi skulle älska att prata om var och en av dem här, men för en bättre förklaring och förståelse av sammanhanget för den första bilden av svarta hål kommer vi idag att prata om arbetet av pristagarna Roger Penrose, Reinhard Genzel och Andrea Ghez, vinnarna av Nobelpriset i fysik.

Enligt Nobelprisets officiella webbplats belönades pristagarna "för upptäckten att bildandet av svarta hål är en robust förutsägelse av den allmänna relativitetsteorin" och "för upptäckten av ett supermassivt kompakt objekt i mitten av vår galax". Penrose bevisade genom imponerande matematiska metoder att svarta hål är kopplade till Einsteins relativitetsteori medan Reinhard Genzel och Andrea Ghez arbete gav ovedersägliga bevis för att det verkligen finns ett svart hål i mitten av vår galax Vintergatan, idag känd under namnet Sagittarius A*.

För att vi ska förstå temat fullt ut behöver vi känna till några grundläggande begrepp om svarta hål, till exempel "Vad är ett svart hål?"; "Hur är de uppbyggda? Var kan vi hitta ett?"

Det första vi behöver veta är ett begrepp som används mycket i många ämnen inom astronomi, nämligen vad som är rumtid. Rumtiden är en fyrdimensionell mångfald, tre dimensioner av rymd och en dimension av tid, i ett koordinatsystem skulle vi ha (x,y,z,t). Ett intressant faktum är att en enda punkt i detta koordinatsystem kallas en händelse. Med detta sagt kan vi få definitionen av ett svart hål.

Svart hål är en rumtidsregion där gravitationen är så stark att ingen gas, damm, partikel eller ens ljus kan bryta sig loss från den! De är alla STARKT attraherade genom gravitationskraften i det svarta hålet och försvinner, går till en plats som förblir okänd även idag för forskaren. Den intressanta delen här är att om även ljuset inte kan bryta sig loss från denna kraft, är det omöjligt att se ett svart hål eller ens att veta var det är ett. Det är som att försöka se ett svart föremål mot en svart bakgrund, du kan inte se, eller om du gör det, är det mycket svårt. Så, hur gör forskarna det?

I teorin bildas svarta hål vanligtvis när en mycket massiv stjärna, mycket tyngre än solen, kollapsar i slutet av sin livstid. Massan är en mycket viktig faktor för att avgöra om den döda stjärnan kommer att förvandlas till ett svart hål eller en neutronstjärna. Denna supermassa stjärna pressas in i ett mycket litet utrymme på grund av gravitationen och för att bilda det svarta hålet kan den kompakta massan deformera rumtiden, enligt den allmänna relativitetsteorin.

Denna deformering av rumtiden skapar en gravitationell accelerationskraft som pekar mot centrum av den täta massan. Och på grund av denna kraft börjar gas och partiklar nära eller i närheten av det svarta hålet att få en rotationshastighet som med våld dras in i det svarta hålet. Detta fenomen kallas för Ackretionsskiva.

Denna gravitations- och friktionskraft får alla gaser och partiklar med elektriska laddningar att generera inte bara en temperaturökning utan även elektromagnetisk strålning med olika frekvenser som infraröd eller röntgen. På grund av denna fantastiska egenskap kan man "se" ett svart hål. Det är bra, men det underlättar inte forskarens jobb till 100 procent. Du har en frekvens som du kan spåra, men du kan fortfarande inte säga "titta, ett svart hål där borta på himlen". Vi kan inte behandla ljuset från det svarta hålet på samma sätt som en vanlig stjärna; de är väldigt olika varandra. Men den goda nyheten är att det svarta objektet från början nu är något upplyst i den svarta bakgrunden.

På den första bilden av det svarta hålet kan vi se ackretionsskivan. Det svarta hålet i det här fallet är 6,5 miljoner gånger tyngre än vår sol och befinner sig i galaxen Messier 87, 53 miljoner ljusår från jorden. Bilden är möjlig tack vare tidsinställningar från åtta olika teleskop runt om i världen, Event Horizon Telescope och några andra rymdteleskop, som tillsammans fångade data från M87 vid samma tidpunkt i april 2017. Var och en av dem fångade olika data från det svarta hålet och sedan sattes allt ihop till en bild. Det kan låta som en enkel sak, men forskarna fick arbeta hårt för att förstå all data och hur de skulle hantera den, vilken algoritm de skulle använda och hur de skulle använda den.

I en artikel som publicerades 1997 visade Genzel att insamlade data från fem olika år, från 1992 till 1996, fångar snabbrörliga stjärnor i omedelbar närhet av Sgr A*, och att en mycket stor och tung mörk massa finns i mitten av dessa stjärnor. "Det finns ingen stabil konfiguration av normala stjärnor, stjärnrester eller substellära enheter vid den densiteten", står det i artikeln (GENZEL et al., 1997). Slutsatsen är att "det måste finnas ett massivt svart hål i Vintergatans kärna".

I en annan artikel som publicerades 1998 av Ghez, en tvåårig studie, upptäcktes samma mönster av rörliga starter på samma plats, som det sägs i artikeln "toppar av både stjärnytans densitet och hastighetsdispersionen överensstämmer med positionen för kandidaten till det svarta hålet (fortfarande kandidat vid den tiden) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). De bilder som användes i studien togs med våglängder i det nära infraröda området, den typ av frekvens som ackretionsskivan avger.

Här är en kort lista med dessa artiklar:

GENZEL, R. et al. Om den mörka massans natur i Vintergatans centrum. Månadsmeddelanden från Kungliga astronomiska sällskapet, v. 291, n. 1, s. 219-234, 11 ut. 1997.

GHEZ, A. M. et al. Stjärnor med högt egenrörelsemängdsmoment i närheten av Sagittarius A\ast: Bevis för ett supermassivt svart hål i centrum av vår galax. Den astrofysiska tidskriften, v. 509, n. 2, s. 678-686, december 1998.

GHEZ, A. M. et al. Mätning av avstånd och egenskaper hos Vintergatans centrala supermassiva svarta hål med Stellar Orbits. Den astrofysiska tidskriften, v. 689, n. 2, s. 1044-1062, december 2008.

Är inte universum så vackert?

Allt detta är redan otroligt men det finns fortfarande mycket mer att komma med, som David Haviland ordförande för Nobelkommittén för fysik sa "...dessa exotiska objekt ställer fortfarande många frågor som kräver svar och motiverar framtida forskning. Inte bara frågor om deras inre struktur, utan också frågor om hur vi kan testa vår gravitationsteori under de extrema förhållanden som råder i ett svart håls omedelbara närhet". Och vi kommer att vara här, ser fram emot nästa paus dock! Under tiden tackar vi årets pristagare Roger Penrose, Reinhard Genzel och Andrea Ghez, du är fantastisk!

Om du också vill läsa om Roger Penrose arbete finns här några artiklar som beskriver hans arbete. En av dem publicerades tillsammans med den legendariska Stephen Hawking. Du kan också läsa dessa artiklar här:

HAWKING, S.; PENROSE, R. Rymdens och tidens natur. American Journal of Physics, v. 65, n. 7, s. 676-676, 1 juli 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Energibesparing som grund för relativistisk mekanik. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, s. 995-997, 1 dez. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. Ett tillvägagångssätt för gravitationsstrålning med en metod för spinnkoefficienter. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, s. 566-578, 1 maj 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Energibesparing som grund för relativistisk mekanik. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, s. 55-59, 1 jan. 1965.

Om du har ett projekt eller en presentation på gång om något astronomiskt område kan du använda Mind the Graph för att göra ditt innehåll mer effektivt, didaktiskt och roligt! Vi vet att det är svårt att få bra bilder på temat så vi är här för att hjälpa dig med det, du kan kolla in vårt innehåll om astronomi här.

Du kan hitta allt du behöver i Mind the Graph och om du inte gör det kan vi hjälpa dig!

Låt oss tillsammans förbättra kommunikationen inom vetenskap! Är du redo att göra ett försök?

Nobelpriset och den första bilden av ett svart hål

Prenumerera på vårt nyhetsbrev

Om Fabricio Pamplona