9 Minutės
Juodosios skylės, kadaise apgaubtos vien teorinio paslapties, dabar tiriamos per vaizdus, fiksuojančius jų šešėlį ir aplink jį nušvitusią plazmą. Mokslininkai naudoja šias nuotraukas, kad patikrintų, ar Einšteino bendroji reliatyvumo teorija išlieka galiojanti pačiuose ekstremaliausiuose gravitacijos regionuose, ir ieško subtilių požymių, kurie galėtų nurodyti naują fiziką ar korekcijas prie esamų modelių. Straipsnyje aptariami stebėjimų metodai, simuliacijos ir būsimi teleskopų atnaujinimai, kurie leis tiksliau įvertinti juodųjų skylių šešėlius ir patikimai palyginti teorijas.
Kodėl juodosios skylės šešėlis yra svarbus
Kai Event Horizon Telescope (EHT) paskelbė pirmąjį kada nors užfiksuotą juodosios skylės vaizdą M87 galaktikos centre, o vėliau – ir Sagittarius A* mūsų Paukščių Tako šerdyje, tai pakeitė astrofizikų galimybes testuoti gravitaciją. Šie vaizdai nerodo pačios singularybės — ta taškine susitelkusia mase už slėpimo mechanizmo — bet atskleidžia ryškų karštos plazmos žiedą, kuris lenkia šviesą aplink įvykio horizontą. Tas tamsus siluetas, vadinamas juodosios skylės šešėliu, yra tiesioginis laiko ir erdvės kreivumo pasekmės atspindys, kurias prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija.
„Matote ne pačią juodąją skylę, o karštą materiją jos artimiausioje aplinkoje,“ sako prof. Luciano Rezzolla iš Goethe universiteto Frankfurte, vienas iš komandų, plėtojančių metodikas teorijos ir stebėjimų palyginimui. „Kol materija vis dar sukasi už įvykio horizonto — prieš neišvengiamą įtraukimo procesą — ji gali skleisti paskutinius šviesos signalus, kuriuos, teoriškai, galime užfiksuoti. Svarbu suprasti emisinės zonos fiziką ir radiacijos transportą, nes tai lemia, kaip šešėlis ir žiedo ryškumo profilis bus matomi įvairiuose bangos ilgiuose.“
Kadangi šešėlio dydį ir formą lemia gravitacijos poveikis šviesos trajektorijoms, skirtingos gravitacijos teorijos gali generuoti smulkiai skirtingus šešėlius. Jei galėsime labai tiksliai išmatuoti šiuos skirtumus — įskaitant žiedo diametrą, asimetriją, ryškumo pasiskirstymą ir morfologinius poslinkius — galėsime naudoti juodąsias skyles kaip gamtos laboratoriumi, kurie arba patvirtins Einšteino teoriją, arba atskleis nukrypimus, nurodančius į naują fiziką ar papildomas lauko komponentes.
Šešėlių modeliavimas: kaip mokslininkai testuoja konkuruojančias teorijas
Gravitacijos testavimas juodųjų skylių mastu reikalauja dviejų sudedamųjų dalių: itin aukštos kokybės stebėjimų ir išsamių teorinių modelių. Rezzolla ir kolegos, bendradarbiaudami su mokslininkais iš Tsung-Dao Lee instituto Šanchajuje, sukūrė sisteminį karkasą, leidžiantį palyginti sintetinius juodųjų skylių vaizdus, prognozuojamus įvairių gravitacijos modelių, su tuo, ko tikimasi iš teleskopų matavimų. Tai apima modelių bibliotekas, parametruotą simuliacijų rinkinį ir statistinius kriterijus modeliui vertinti.
Esamo teleskopų raiškos sąlygomis, juodosios skylės, prognozuojamos skirtingų gravitacijos teorijų, vis dar atrodo labai panašiai. Ateities teleskopai padarys skirtumus labiau matomus, todėl bus galima atskirti Einšteino modelio juodąsias skyles nuo alternatyvų. Credit: Luciano Rezzolla/Goethe University
Komanda naudoja trimates bendrosios reliatyvumo magnetohidrodinamikos (GRMHD) simuliacijas, kad modeliuotų, kaip plazma ir magnetiniai laukai elgiasi iškreiptoje erdvėlaikyje. Šios simuliacijos atlieka dvigubą funkciją: jos fiksuoja dinamišką akrecijos disko ir vėjo elgseną, ir generuoja sintetinius radijo vaizdus karšto dujų aplink juodąją skylę — iš esmės tai, ką ateities, labiau pajėgus teleskopas galėtų pamatyti. Valiuodami prielaidas apie magnetinio lauko stiprumą, plazmos laidumą ir akrecijos greitį, tyrėjai kuria plačią šešėlių bei emisijos modelių biblioteką, reikalingą statistiniam palyginimui su stebėjimais.
Simuliacijose taikomi įvairūs skaitmeniniai sprendimo metodai, įskaitant adaptacinio tinklelės suskirstymo (AMR) ir aukštos tvarkos skaitinius sprendimo algoritmus, kad būtų užtikrintas tikslingas detalumas šalia įvykio horizonto. Toliau, norint paversti skaitines laukų sprendinių prognozes į stebimus vaizdus, atliekamas radiacijos transporto skaičiavimas, įtraukiantis relatyvistinius Doplerio efektus, lęšiavimą ir poliarizaciją. Visa tai leidžia sukurti realistiškesnes priemones tiesioginiam teorijų palyginimui su EHT tipo duomenimis.
„Pagrindinis klausimas buvo: kiek reikšmingai skiriasi juodųjų skylių vaizdai tarp įvairių teorijų?“ sako pagrindinis autorius Akhil Uniyal iš Tsung-Dao Lee instituto. Jų darbas, publikuotas Nature Astronomy, verčia tuos skirtumus į stebimas kriterijų sistemas: šešėlio spindulio matavimai, ryškiojo žiedo asimetrija, emisijos morfologijos subtilūs poslinkiai bei poliarizacijos žymenys gali kartu nurodyti, kurie modeliai lieka gyvybingi. Autoriai taip pat pristato statistinius testus, kurie įvertina, kiek pastebėti skirtumai yra reikšmingi, atsižvelgiant į matavimo triukšmą, instrumentinius klaidų šaltinius ir modelių sisteminę nežinomybę.
Kuriuos alternatyvius modelius galima atmesti dabar?
- Dabartiniai EHT vaizdai jau nepalankūs kai kurioms ekstremalioms scenarijų klasėms, tokioms kaip nuogi singularumai (objektai be įvykio horizonto) ir tam tikri voratinklinių tunelių (wormhole) modeliai M87 ir Sagittarius A* atvejais, nes jie generuotų šešėlius, stipriai prieštaraujančius stebėjimams. Tokie scenarijai dažnai prognozuoja arba dauginančius, arba labai netipinius intensyvumo profilius, kurių nesimato esamuose duomenyse.
- Tačiau esamų matavimo netikslumų ribose kol kas galima atmesti tik pačius egzotiškiausius ar didžiausius nukrypimus nuo bendrosios reliatyvumo teorijos. Daugelis alternatyvių gravitacijos teorijų su subtiliomis korekcijomis gali sukurti šešėlius, kurie suderinami su dabartine raiška ir triukšmo lygiu.
Trumpai tariant: dabartinė raiška palieka daug alternatyvų gyvybingas. Viltis sukoncentruota į kitą žingsnį vaizdų aiškume ir instrumentinės charakteristikos pagerinimus, kurie leis patikimiau diskriminuoti modelius ir susiaurinti teorinį lauką.
Aštresni teleskopai, lemiami testai
Raiška yra pagrindinė kliūtis. EHT veikia kaip virtuali, Žemės skersmenį pranokstanti radijo antena, susiedama plačiai išsidėsčiusias radijo observatorijas per ilgą bazinę interferometriją (Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Tai suteikia precedento neturintį kampinį raiškumą, tačiau norint aptikti menkiausius nukrypimus nuo Einšteino prognozių reikia dar smulkesnių detalių — tokio tikslumo, kokį būtų galima palyginti su moneta matoma Mėnulio paviršiuje iš Žemės. Šis palyginimas iliustruoja, kokios griežtos ribos būtinos šešėlio parametrų matavimui.
Tyrėjai apskaičiavo, kad angulinis raiškumas geresnis už vieną milijoninę kampinės sekundės dalį (1 μas arba mažiau; tiksliau — gerokai mažesnis už mikroarksekundę) būtų reikalingas, kad sistemingai atskirti daugelį alternatyvių gravitacijos modelių nuo bendrosios reliatyvumo. Šis tikslas šiuo metu viršija esamas galimybes, tačiau yra pasiekiamas planuojamų modernizacijų kontekste: papildant EHT tinklą žemės paviršiuje esančiomis radijo antenomis, gerinant jautrumą ir platumą juostos, tobulinant duomenų apdorojimo algoritmus bei — potencialiai — dislokuojant radijo teleskopus kosmose, kad būtų išplėstas virtualus bazinis dydis iki reikšmingai didesnio už Žemės skersmenį.
Be to, vaizdų rekonstrukcijos metodai (tokie kaip reguliarizuotų maksimum tikimybių metodai — RML, CLEAN modifikacijos, Bayesian approaches) bei interferometrijos kalibravimo gerinimas sumažina sisteminę netikslumą ir padidina dinaminį diapazoną, leidžiant išryškinti silpnus, bet informatyvius skirtumus tarp modelių. Tyriamoji grupė taip pat nagrinė „uždarymo fazių“ (closure phase) ir „uždarymo amplitudžių“ (closure amplitude) statistikas, kurios yra atsparios tam tikriems instrumentacijos klaidoms ir todėl labai vertingos diskriminavimo užduotyje.
Kai kampinis raiškumas ir dinaminis diapazonas pagerės, skirtumai tarp skirtingų teorijų prognozuotų šešėlių taps labiau išraiškingi. Tai reiškia, kad būsimi stebėjimai galėtų arba susiaurinti apribojimus alternatyvoms, arba atskleisti mažus, reprodukuojamus neatitikimus Einšteino lygtims — atradimą, kuris sukrėstų fizikos pagrindus ir paskatintų naują teorinį atnaujinimą.
Ką tai reiškia fundamentaliai fizikai
Bendroji reliatyvumo teorija išlaikė kiekvieną per daugiau nei šimtmetį atliktą eksperimentinį bandymą — nuo Merkurijaus perihelio precesijos iki gravitacinių bangų detekcijos. Juodosios skylės suteikia neįtikėtinai ekstremalią areną: milžiniška masė, sutelkta į mažą tūrį, sukuria gravitacinius laukus, kurie stumia erdvėlaikį į režimus, kurių negalime reprodukuoti Žemėje. Rasti reikšmingą deviaciją reikštų tiek teoriškai, tiek eksperimentaliai reikšmingą peržiūrą ir nukreiptų fizikus į platesnę teoriją, kuri tam tikrose sąlygose susitrauktų iki bendrosios reliatyvumo ribos (matching limit) ir vienu metu integruotų kvantinę mechaniką.
Netgi daug alternatyvių modelių atmetimas yra vertingas: kiekvienas apribojimas siaurina teorinį kraštovaizdį ir veda fizikus link nuoseklių aprašymų, galinčių suderinti kvantinius efektus su gravitacija — ilgai siekiamo kvantinės gravitacijos tikslo. Tokie apribojimai taip pat padeda nustatyti prioritetus modelių kūrėjams, nukreipiant finansavimą, skaičiavimo išteklius ir stebėjimų kampanijas ten, kur jie yra informatyviausi.
Eksperto įžvalga
„Juodosios skylės leidžia atlikti eksperimentus, kurie yra neįmanomi jokioje laboratorijoje,“ sako dr. Maya Herrera, astrofizikė ir mokslo komunikatorė. „Realistiškų simuliacijų ir palaipsniui aštresnių vaizdų derinys paverčia filosofinę diskusiją empirinėmis mokslo užduotimis. Jeigu Einšteino teorija kada nors suirs šių testų metu, tai atvers naują fizikos skyrių — tačiau jei ji išliks, tai bus gili patvirtinimo žinia apie tai, kaip gerai bendroji reliatyvumo teorija apibūdina mūsų Visatą.“
Ateities perspektyvos: teleskopai, terminai ir lūkesčiai
Papildomų žemės radijo antenų integracija, pralaidumo ir duomenų apdorojimo pagerinimai bei ambicinga kosminės radijo antenos idėja yra pagrindinės kryptys į reikalingą kampinį raiškumą. Per artimiausius kelerius metus etapinės modernizacijos gali pradėti mažinti dabartines netikslumo ribas; per dešimtmetį ar du astronomai tikisi pasiekti kampinį tikslumą, reikalingą priimti lemiamus sprendimus apie konkuruojančias gravitacijos teorijas. Tai apima tiek Žemėje išplėstą VLBI tinklą, tiek galimus orbitoje esančius instrumentus, leidžiančius pasiekti tiesiogiai daugybę tūkstančių kilometrų ilgio bazinį atstumą.
Tuo tarpu metodika, sukurta Rezzolla, Uniyal ir jų bendradarbių, suteikia aiškų veiksmų planą: sukurti tvirtus, modeliu nepriklausomus matrikus šešėlio dydžiui ir morfologijai, plėtoti simuliacijas taip, kad jos atspindėtų realistinę plazmos fiziką ir magnetinius parametrus, bei kryptingai planuoti stebėjimų kampanijas, kurios maksimaliai padidintų diskriminavimo tarp teorijų galią. Šie elementai — modelių biblioteka, stebėjimų dizainas ir pažangūs statistiniai testai — kartu sudaro sistemą, leidžiančią ištraukti informatyviausius signalus iš triukšmingų duomenų.
Ant kortos yra ne mažiau nei mūsų supratimas apie erdvę, laiką ir gravitaciją. Kitos kartos juodųjų skylių vaizdai bus ne tik stulbinantys vizualiniai pasiekimai; jie taps instrumentais, tyrinėjančiais fundamentalias taisykles, valdančias kosmosą. Šių pastangų sėkmė priklausys nuo tarptautinio bendradarbiavimo, technologinių inovacijų bei nuoseklaus teorinio ir eksperimentinio darbo derinio.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą