חורים שחורים הם בעצם בלתי נראים, אבל אסטרונומים מפתחים טכנולוגיה כדי לדמיין את הסביבה המיידית של חידות אלה כמו מעולם. בתוך שנים ספורות, אומרים מומחים, ייתכן שלמדענים תהיה תמונה ראשונה אי פעם של הסביבה סביב חור שחור, ואף יוכלו לזהות את ה"צל" התיאורטי של חור שחור עצמו.

קשה לראות בפירוט חורים שחורים מכיוון שהגדולים כולם רחוקים. החור השחור העל-מסיבי הקרוב ביותר הוא החור השחור הסופר-מאסיבי הקרוב ביותר הוא זה שנחשב מאכלס את מרכז שביל החלב, הנקראקשת A*(מבוטא "כוכב קשת A"), שנמצא במרחק של כ-26,000 שנות אור משם. זהו היעד הראשון לפרויקט בינלאומי שאפתני לצלם חור שחור בפירוט רב יותר מאי פעם, הנקראטלסקופ אופק אירועים(EHT).

ה-EHT ישלב תצפיות מטלסקופים בכל רחבי העולם - כולל מתקנים בארצות הברית, מקסיקו, צ'ילה, צרפת, גרינלנד והקוטב הדרומי - לתמונה וירטואלית אחת עם רזולוציה שווה למה שיושג באמצעות טלסקופ בודד גודל המרחק בין המתקנים המופרדים.

"זה באמת ניסוי חסר תקדים וייחודי", אמר חבר צוות EHT ג'ייסון דקסטר, תיאורטיקן אסטרופיזיקלי מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. "זה הולך לתת לנו מידע ישיר יותר ממה שאי פעם היינו צריכים להבין מה קורה קרוב מאודחורים שחורים. זה מאוד מרגש, והפרויקט הזה באמת הולך להתבגר ולהתחיל לספק תוצאות מדהימות בשנים הקרובות".

מכדור הארץ, מזל קשת A* נראה גדול בערך כמו אשכולית על הירח. כאשר טלסקופ אופק האירועים מתממש במלואו, הוא אמור להיות מסוגל לפתור פרטים על גודל כדור גולף על הירח. זה קרוב מספיק כדי לראות את האור הנפלט על ידי גז כשהוא מתגלגל פנימה אל עבר האבדון שלו בתוך החור השחור.

אינטרפרומטריית בסיס ארוכה מאוד

כדי להשיג רזולוציה עדינה כזו, הפרויקט מנצל טכניקה הנקראת התערבות בסיסית ארוכה מאוד (VLBI). ב-VLBI, מחשב-על פועל כעדשת טלסקופ ענקית, למעשה.

"אם יש לך טלסקופים ברחבי העולם אתה יכול ליצור טלסקופ וירטואלי בגודל כדור הארץ", אמר שפ דולמן, אסטרונום במצפה הכוכבים Haystack של MIT במסצ'וסטס, שמוביל את פרויקט טלסקופ אופק אירועים. "בטלסקופ טיפוסי, האור קופץ ממשטח מעוגל בדיוק וכל האור מתמקד למישור מוקד. הדרך שבה VLBI עובד היא, עלינו להקפיא את האור, ללכוד אותו, להקליט אותו בצורה נאמנה לחלוטין במערכת ההקלטה, ואז העבר את הנתונים חזרה למחשב-על מרכזי, שמשווה את האור מקליפורניה והוואי ומשאר המיקומים, ומסנתז אותו העדשה הופכת למחשב-על כאן ב-MIT.

שיפור משמעותי ליכולת ההדמיה של טלסקופ אופק אירועים יגיע כאשר 64 צלחות הרדיו שלALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)מצפה כוכבים בצ'ילה יצטרף לפרויקט בשנים הקרובות.

"זה הולך להגביר את הרגישות של טלסקופ אופק האירועים בפקטור של 10", אמר דולמן. "בכל פעם שאתה משנה משהו בסדר גודל, קורים דברים נפלאים."

אינטרפרומטריה בסיסית ארוכה מאוד הייתה בשימוש במשך כ-50 שנה, אם כי מעולם לא בתדירות כה גבוהה - או אורך גל קצר - של אור. אור זה באורך גל קצר הוא מה שנדרש כדי להשיג את הרזולוציה הזוויתית הנדרשת למדידה ולתמונה של חורים שחורים.

האתגר הטכני הגדול

משיכת טלסקופ אופק האירועים הייתה אתגר טכני גדול בחזיתות רבות.

כדי לתאם את התצפיות של כל כך הרבה טלסקופים הפרוסים ברחבי העולם, מדענים היו צריכים לרתום אלגוריתמי מחשוב מיוחדים, שלא לדבר על מחשבי-על חזקים. בנוסף, כדי להתאים את הפרש השעות בין התחנות השונות, יש צורך בשעונים מדויקים במיוחד.

"היינו צריכים להוכיח שאתה יכול לשמור זמן מספיק טוב בכל התחנות, ושהגלאים בכל הטלסקופים היו מספיק טובים, שכאשר אתה מכפיל את שני האותות משני טלסקופים לא תקבל רק רעש", אמר דן מרונה. , אסטרונום במצפה הכוכבים של אוניברסיטת אריזונה שבונה מקלט כדי לאפשר לטלסקופ הקוטב הדרומי להצטרף לפרויקט.

החוקרים השתמשושעונים אטומייםעשוי ממה שנקרא מאסרי מימן כדי לשמור על זמן דיוק של כטריליון שניה לשנייה.

"אנו משתמשים בתכונה זו של מבנה אטום המימן כדי ליצור עבורנו התייחסות בסיסית לזמן שעוברת בין שני מצבים של האלקטרון באטום מימן", אמר מרונה. "זה יוצר אות בתדר נמוך שבאמצעות תכנון קפדני אתה יכול ליצור מתנד מאוד מדויק. זה יוצר תנודות מאוד מושלמות לפרק זמן קצר. זה אומר שאנחנו יכולים לממוצע את הנתונים שלנו על פני פרקי זמן אלה, כי כולם ישמרו זמן מאוד בצורה מושלמת."

בדיקת יחסיות כללית

עם הנתונים חסרי התקדים שייאסף בקרוב על ידי טלסקופ אופק האירועים, מדענים מקווים להבין טוב יותר את הפיזיקה המוזרה של חורים שחורים, שהם מהעצמים הקיצוניים והמוזרים ביותר ביקום.

החור שחור במרכז שביל החלבנחשבת להכיל מסה של כ-4 מיליון שמשות, כולן ארוזות בשטח קטן באופן בלתי מובן. הצפיפות האולטרה-חזקה שם אמורה לייצר כמה כוחות כבידה קיצוניים מאוד שמציעים מבחן נדיר של איינשטייןתורת היחסות הכללית.

"טלסקופ אופק האירועים הולך לבחון את הפליטה בקצה החור השחור עצמו", אמר דולמן. "זה אזור שבו כוח המשיכה הוא כל כך חזק שהאור מתכופף והמבנים שאתה רואה נשלטים על ידי כוח הכבידה החזק, שבו אתה בהחלט צריך את איינשטיין כדי להבין מה אתה רואה. זה הופך למעבדה של קיצוניות".

שאלה אחת שמדענים מקווים לענות היא האם באמת יש חורים שחוריםאופקי אירועים, כפי שנחזה על ידי תורת היחסות הכללית. אופק אירועים הוא גבול תיאורטי סביב חור שחור המסמן את "נקודת האל חזור" שבה החומר ואפילו האור אינם יכולים לברוח. אם קיימים אופקי אירועים, תורת היחסות הכללית גם מנבאת לחורים שחורים יהיו צללים, או אזורים מוחשכים שבהם נבלע האור. אם חורים שחורים אכן מייצרים צללים, טלסקופ אופק האירועים אמור להיות מסוגל לראות אחד במזל קשת A* במהלך השנים הקרובות, אמר דקסטר, התיאורטיקן של אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי.

"זה יהיה האפקט הרלטיביסטי הכללי הקיצוני ביותר שזוהה עד כה", הוסיף.

צילום רנטגן חורים שחורים

בעוד הטלסקופ אופק אירועיםהוא צופה בחורים שחורים באורכי גל רדיו, הגבול השני של אסטרונומיה של חורים שחורים הוא במשטר קרני הרנטגן.

הגז הנופל לתוך חורים שחורים פולט אור על פני הספקטרום האלקטרומגנטי, אבל את הגז החם והאנרגטי ביותר - שמתערבל הכי קרוב לאופק האירועים של חור שחור - ניתן לראות באור רנטגן.

האור הזה נראה רק מעבר לאטמוספירה של כדור הארץ, לטלסקופי חלל כמו מצפה הכוכבים צ'אנדרה של נאס"א וטלסקופ NuSTAR, מצפה הכוכבים XMM ניוטון של אירופה וטלסקופ סוזקו של יפן. התצפיות הללו אינן מדמיינות ישירות את סביבות החורים השחורים, כמו טלסקופ אופק האירועים, אלא מפרקות את אור רנטגן לצבעים המרכיבים אותו, או אורכי גל, כדי לחפש רמזים לגבי מה שקורה לגז בסביבות קיצוניות אלה.

לדוגמה, האסטרונום כריס ריינולדס מאוניברסיטת מרילנד, קולג' פארק משתמש בתצפיות בקרני רנטגן כדי לחקור את הספינים של חורים שחורים. "מכיוון שהפיסיקה כל כך קיצונית, כאשר חור שחור מסתובב, הוא למעשה מעוות את המרחב-זמן סביבו ונוכל לראות את ההשפעה שיש לו על גז המקיף את החור השחור", אמר ריינולדס.

ועל ידי חקר חורים שחורים באורכי גל שונים, החוקרים מקווים לבנות הבנה מלאה יותר של העצמים הקוסמיים המוזרים הללו.

"הגז, כשהוא נופל לתוך חור שחור, פולט גלי רדיו, וזה מה שטלסקופ אופק האירועים מנסה לראות, והוא גם מייצר קרני רנטגן, וזה נותן לך השקפות משלימות מאוד על תכונות הגז הנופל והחור השחור," אמר ריינולדס. "טלסקופ אופק האירועים עומד על סף כמה תוצאות קרובות מאוד, וכולנו מצפים לזה."