Un telescopi espacial podria revelar l’anell de fotons d’un forat negre


Un telescopi espacial podria revelar l'anell de fotons d'un forat negre

Els diferents camins de fotons creen capes de llum. Crèdits: George Wong (UIUC) i Michael Johnson (CfA)

Malgrat dècades d’estudis, els forats negres encara es troben entre els objectes celestes més poderosos i misteriosos mai estudiats. A causa de les forces gravitatòries extremes implicades, res no pot escapar de la superfície d’un forat negre (inclosa la llum). Com a resultat, l’estudi d’aquests objectes s’ha limitat tradicionalment a observar la seva influència sobre els objectes i l’espai-temps al seu voltant. No va ser fins al 2019 que la primera imatge d’un forat negre va ser capturada pel Telescopi d’Horizon d’Events (EHT).

Aquesta gesta va ser possible gràcies a una tècnica coneguda com a Very-Long Baseline Interferometria (VLBI), que va permetre als científics veure l’anell brillant que envoltava el forat negre supermassiu (SMBH) al centre de la galàxia M87. Un nou estudi d’un equip internacional d’astrònoms ha demostrat com una missió d’interferometria basada en l’espai podria revelar encara més secrets amagats dins del vel d’un forat negre. horitzó d’esdeveniments.

La investigació va ser dirigida per Leonid Gurvits, investigador del Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry European Research Infrastructure Consortium (JIVE ERIC) i la Universitat Tecnològica de Delft. S’hi van unir investigadors de l’Institut de Radioastronomia (INAF), l’Institut Holandès d’Investigació Espacial (SRON), el Centre d’Astrofísica Computacional de l’Institut Flatiron, el Centre d’Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA), la Iniciativa del forat negre i múltiples universitats i instituts de recerca.






Crèdits: Astronomy Cast

Com indiquen en el seu estudi, la resolució angular ultra alta en astronomia sempre s’ha vist com una porta d’entrada a descobriments importants. En aquest procés, conegut com a interferometria, diversos observatoris recullen llum d’un sol objecte que, d’altra manera, seria molt difícil de resoldre. En els darrers anys, els astrònoms han confiat en VLBI per detectar la radiació a les longituds d’ona mil·límetres i submilimètriques. El coautor de l’estudi, el Dr. Zsolt Paragi, investigador de JIVE ERIC, va dir per correu electrònic: “En general, la imatge d’alta resolució angular s’aconsegueix en astronomia de tres maneres: augmentant la mida dels nostres telescopis, observant la llum a longituds d’ona més curtesi eliminant (o almenys compensant) les pertorbacions provocades per l’atmosfera terrestre.

“La radioastronomia va ser pionera en el desenvolupament de tècniques d’imatge basades en interferometria, quan el senyal de diferents telescopis a grans distàncies es combinen de manera perfecta (en la nostra terminologia: de manera coherent). En aquest cas, el factor definitiu que determina el poder de resolució de l’instrument és el distància entre els telescopis, que anomenem línies de base”.

Un bon exemple d’això és l’Event Horizon Telescope (EHT), que va capturar la primera imatge d’un forat negre supermassiu (M87) el 10 d’abril de 2019. Va ser seguida el 2021 per una imatge de la regió central de la galàxia Centaurus A. i el raig de ràdio que en emana. Tanmateix, aquestes imatges eren poc més que cercles febles, que representaven la llum atrapada a l’horitzó d’esdeveniments SMBH, el límit del qual res (fins i tot la llum) pot escapar.

No obstant això, la imatge de l’M87 adquirida per l’EHT va constituir la primera confirmació directa de l’existència d’SMBH i va ser la primera vegada que s’imaginaven les ombres que l’envoltaven. Aquesta imatge també va proporcionar una visió de la matèria que cau al voltant del forat negre supermassiu, distorsionada per una gravetat extremadament forta. En els darrers anys, va dir el Dr. Paragi, s’han produït altres desenvolupaments en el camp de la VLBI que ofereixen un tast del que vindrà:

“Un altre resultat clau dels darrers anys va ser la demostració de l’origen cosmològic dels misteriosos flaixos de ràdio de mil·lisegons de durada que anomenem ràfegues ràpides de ràdio. A causa de la seva excel·lent capacitat d’imatge d’alta resolució, la xarxa europea VLBI va proporcionar amb diferència la localització del cel amb més precisió. aquests senyals molt breus, que són extremadament difícils de captar fins i tot amb els interferòmetres més moderns.

“Aquestes imatges de longitud d’ona centímetre no només mostren de quina galàxia provenen els senyals, sinó que també poden reduir la posició del senyal a petites regions de la galàxia, que seran crucials per a la comprensió del fenomen”.

Un telescopi espacial podria revelar l'anell de fotons d'un forat negre

Simulació de l’anell de fotons per a M87*. Crèdit: Andrew Chael, et al

Segons la comunitat astronòmica, el següent pas lògic és capturar l’anell de fotons. En aquesta regió, la força gravitatòria és tan forta que els fotons es veuen obligats a viatjar en òrbites. A les imatges EHT, gran part de la llum d’aquest anell es va dispersar abans que arribés a la Terra, creant les imatges relativament borroses que van resultar. Per aprofitar el seu èxit, l’EHT de nova generació (ngEHT) afegirà deu nous telescopis alhora que modernitzarà els que ja formen part de la xarxa.

Tanmateix, a través de matrius VLBI basades en l’espai, els astrònoms podran proporcionar les imatges més detallades dels anells de fotons al voltant dels SMBH i fins i tot els propis horitzons d’esdeveniments, segons el Dr. Paragi. Pel bé del seu estudi, l’equip va abordar el potencial d’un futur telescopi espacial VLBI conegut com a Terahertz Exploration and Zooming for Astrophysics (THEZA), que va ser objecte d’un llibre blanc de Gurvits, Paragi i molts dels membres de l’equip autors d’aquest últim article.

Aquest document es va presentar com a part de l’ESA Voyage 2050, una convocatòria oberta de propostes de missions científiques de gran classe que tindran lloc en el període 2035-2050. Igual que els telescopis espacials que estudien el cosmos a l’òptica, infraroja, raigs X, ràdio i altres parts de l’espectre, aquest concepte demana un interferòmetre basat en l’espai per estudiar la física de l’espai-temps a les proximitats dels SMBH. Tal com ho va descriure el Dr. Paragi:

“Observar des de l’espai a longituds d’ona molt curtes, mil·límetres a submilimètriques obrirà noves dimensions a VLBI. Els avantatges d’una missió basada en el concepte THEZA són dobles. D’una banda, poder baixar de les longituds d’ona de l’esdeveniment. Telescopi horitzó [or the ngEHT]una nova població de supermassiva forats negres seria accessible per a la resolució d’imatges d’ombres de forats negres, que està enfosquida per a aquests instruments. A més, també permetria sondes úniques de gir del forat negre i propietats espacials”.

L’equip va revisar tots els elements del telescopi, inclosos els sistemes d’antena, receptors, amplificadors de baix soroll, oscil·ladors locals, mescladors i transport i processament de dades. Van trobar que un interferòmetre basat en el concepte THEZA aconseguiria els tres objectius principals d’una missió d’astronomia de resolució angular ultra alta. En resum, estarà lliure d’interferències de l’atmosfera terrestre i observarà forats negres a freqüències més altes i línies de base més llargues que mai.

Un telescopi espacial podria revelar l'anell de fotons d'un forat negre

Il·lustració del forat negre supermassiu al centre de la Via Làctia. Crèdit: NRAO/AUI/NSF

“En estudiar sistemes únics que consisteixen en parells propers de forats negres supermassius, THEZA pot revelar processos que van conduir a un creixement accelerat del forat negre a l’alba de l’univers, que també va tenir una marcada empremta en l’evolució de les galàxies”, va afegir el Dr. Paragi. “Més important encara, THEZA ampliarà els nostres horitzons per a la mesura detallada de l’ombra del forat negre. Això donarà lloc a una millor comprensió de la gravetat, que és important perquè la gravetat té un paper fonamental en la configuració de l’univers”.

En els propers anys, els observatoris de nova generació es basaran en detectors millorats i tecnologies de transmissió de dades per oferir una imatge encara més detallada d’alguns dels objectes més misteriosos de l’univers. Aquestes inclouen propostes com la proposta de telescopi espacial Spektr-M, que s’espera que es llançarà el 2030. Aquest instrument estarà equipat amb un mirall primari de 10 m (33 peus) capaç d’observar el cosmos en longituds d’ona submil·límetres a infrarojos llunyans. .

El telescopi espacial James Webb (JWST), que va arribar a la seva destinació orbital (L2) al gener i estava gairebé prou fred (a finals d’abril) per començar a operar, realitzarà els seus propis estudis d’interferometria aviat. Com a part de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), l’interferòmetre d’emmascarament d’obertura (AMI) convertirà l’obertura completa dels miralls segmentats de JWST en una matriu interferomètrica.

Amb els plans de la NASA d’enviar astronautes de tornada a la Lluna (com el passat del Programa Artemis) i altres agències espacials que s’embarquen en programes d’exploració lunar, fins i tot hi ha propostes per construir telescopis VLBI a l’altre costat de la Lluna, on estarien lliures. d’interferències atmosfèriques o lumíniques.


EHT identifica el cor fosc de la ràdio galàxia més propera


Més informació:
Leonid I. Gurvits et al, The science case and challenges of space-borne sub-milimeter interferometry. arXiv:2204.09144v2 [astro-ph.IM], arxiv.org/abs/2204.09144

Proporcionat per
Univers avui


Citació: Un telescopi espacial podria revelar l’anell de fotons d’un forat negre (2022, 4 de maig) recuperat el 5 de maig de 2022 de https://phys.org/news/2022-05-space-telescope-reveal-black-hole.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudis o investigacions privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.