천문학

블랙홀 이미지에서 EM 스펙트럼의 어떤 부분이 사용 되었습니까?

블랙홀 이미지에서 EM 스펙트럼의 어떤 부분이 사용 되었습니까?


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EHT는 블랙홀의 첫 번째 이미지를 공개했습니다. 이는 M87에서 부착 디스크에 대한 특이점의 이벤트 지평선입니다. 나는 대중적인 언론의 보도를 봤지만 이것이 찍은 빛의 파장에 대해서는 언급하지 않았다. 가시 광선, 적외선 또는 더 긴 이미지입니까?


블랙홀 이미지에서 EM 스펙트럼의 어떤 부분이 사용 되었습니까?… 가시 광선, 적외선 또는 그 이상의 이미지입니까?

마이크로파, (실제로 밀리미터 파), 원적외선의 털이 많은 가장자리

230GHz 또는 1.30mm 파장의 공칭 주파수에서 대역폭은 게시 된 이미지를 생성하는 데 사용 된 데이터 채널 수에 따라 대략 2 ~ 6GHz입니다.


최초의 M87 이벤트 호라이즌 망원경 결과에서. I. 초 거대 질량 블랙홀의 그림자 함께 출판 된 4 개의 기사 중 첫 번째 :

4. 관찰, 상관 관계 및 교정

EHT를 통해 2017 년 4 월 5 일, 6 일, 10 일 및 11 일에 M87 *을 관찰했습니다. 야간 중앙 천정 대기 불투명도와 함께 날씨는 균일하게 우수하거나 우수했습니다. 230GHz 0.03에서 0.28까지 다양한 위치에 있습니다. 관측은 퀘이사 3C 279의 M87 * 스캔과 인터리브 된 M87 * 스캔과 함께 3 ~ 7 분의 일련의 스캔으로 예약되었습니다. 밤에 M87 *에서 얻은 스캔 수는 7 (4 월 10 일)에서 25 (4 월 10 일)까지 다양했습니다. 4 월 6 일) 다른 관찰 일정의 결과. M87 * 관측치, 상관 관계, 교정 및 검증 된 최종 데이터 제품에 대한 설명은 Paper III에 나와 있으며 여기에 간략하게 요약되어 있습니다.

각 역에서 두 분극의 천문 신호 227.1 및 229.1GHz를 중심으로하는 2 개의 인접한 2GHz 넓은 주파수 대역 표준 헤테로 다인 기술을 사용하여베이스 밴드로 변환 한 다음 총 32Gbps의 속도로 디지털화 및 녹음했습니다. […]

따라서 230GHz를 사용하면 파장은 $ c / f $ 또는 1.30 밀리미터. 이미지가 하나의 2GHz 와이드 채널에서만 나오는지 또는 3 개 모두에서 나오는지 지금은 말하기 어렵습니다. 즉, 대역폭이 약 0.9 % 또는 2.1 %라는 것을 의미하지만 광학 주파수에서 촬영 한 이미지에 비해 여전히 상당히 좁습니다. 그것은 (궁극적으로) 간섭계가 오늘날 디지털 방식으로 수행되고 계산 크기와 시간이 기저 대역의 크기에 따라 상당히 빠르게 확장되기 때문입니다.

나는 요즘 천문학 자들이 모든 종류의 다른 파장을 느슨하게 "빛"이라고 부르는 것이 점점 더 흔해 졌다는 점에 주목해야한다. 약 1.3mm 파장은 확실히 원적외선으로 생각할 수 있지만 Wikipedia는 컷오프를 1mmm (300GHz)로 설정합니다.


EHT 웹 사이트에 따르면 관측은 1.3mm의 파장에서 관측되는 전파 망원경을 사용하여 수행되었습니다. 부착 디스크의 가시 광선이나 적외선은 그렇게 먼 거리에서 감지하기가 거의 불가능합니다. 동기화 된 모든 망원경의 전파 측정 값이 결합되어 이미지로 변환되었습니다.


과학자들이 최초의 블랙홀 이미지 공개

작성자 : Camille M. Carlisle April 10, 2019 13

받은 편지함으로 보내진 이와 같은 기사 받기

Event Horizon Telescope 협업은 초대형 블랙홀의 그림자를 재구성했습니다.

과학자들은 마침내 블랙홀을“보았습니다”– 그것은 아름답습니다.

워싱턴 D.C.에서 열린 국립 과학 재단 기자 회견에서 이벤트 호라이즌 망원경 협업의 대표자들은 거대한 타원 은하 M87에있는 거대한 블랙홀의 재구성 된 이미지를 공개했습니다. 은하는 처녀 자리 별자리에서 약 5,500 만 광년 떨어져 있습니다. 블랙홀 자체는 너무 커서 빛이 통과하는 데 1 일 반이 걸립니다.

프로젝트 디렉터 인 Sheperd Doeleman (천체 물리학 센터, Harvard & amp Smithsonian)은 기자 회견에서“우리는 볼 수 없다고 생각한 것을 보았습니다. “우리는 블랙홀을보고 사진을 찍었습니다. 여기있어."

과학자들은 컴퓨터 코드와 수개월 간의 분석을 사용하여 은하 M87의 중심에있는 초대형 블랙홀 이미지를 구성했습니다. 빛이 사건의 지평선을 넘어서서 초승달을 되 돌리지 않는 어두운 중앙 표시는 바로 외부의 뜨거운 가스에서 방출되는 빛에 의해 생성됩니다.
Event Horizon Telescope 협업

보이지 않는 것 풀기

블랙홀의 얼굴을 캡처하려면 단순한 포인트 앤 슛 방식 이상의 것이 필요합니다. 약 20 개국 200 명으로 구성된 전 세계 연구팀은 다음과 같은 기술을 사용하여 블랙홀의 이미지를 구축했습니다. 매우 긴베이스 라인 간섭 측정 (VLBI). VLBI는 전 세계에 흩어져있는 여러 전파 망원경의 데이터를 결합하여 지구 크기의 가상 접시를 만들고 D.C.에서 본 로스 앤젤레스의 4 분의 1의 날짜를 읽을 수있는 것과 동일한 해상도를 제공한다고 Doeleman은 말했습니다.

코끼리의 여러 부분을 연구하는 눈을 가리고 과학자들에 대한 오래된 농담을 생각해보십시오. 하나는 귀를 찾고 다른 하나는 꼬리를 찾습니다. VLBI를 사용하면 눈가리개를 한 각 과학자가 거리를 나타냅니다. 기준선, 두 망원경 사이. 그러나 각기 다른 신체 부위를 샘플링하는 대신 각 기준선은 다른 규모 코끼리의 높이 : 한 사람은 높이가 10 피트라고 말하고 다른 사람은 여기에 그런 크기의 귀가 있다고 말하고 또 다른 사람은 코끼리 피부의 미세한 질감을 탐구합니다. 지구가 회전함에 따라 기준선이 변경되어 코끼리의 다른 비늘을 감지합니다. 그런 다음 과학자들은 이러한 정보 조각을 일관된 이미지로 모 읍니다.

2017 년 4 월 EHT 관측 실행에는 칠레의 ALMA 및 APEX, 하와이의 JCMT 및 SMA, 멕시코의 LMT, 스페인의 Pico Veleta, 애리조나의 SMT, 남극 망원경의 6 개 지리적 위치에서 8 개의 전파 망원경이 포함되었습니다.
© APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. Malin

오늘 공개 된 블랙홀 이미지는 천체 물리학 저널 편지 EHT 과학자들은 단 4 일 동안의 관측에 기초하여 남극 대륙의 추위를 견디면서 칠레의 외딴 사막의 허공에서 작업하면서 수년간 장비를 테스트하고 설치했습니다. 그들은 컴퓨터 알고리즘을 구축하고 그들이 볼 수있는 것에 대한 시뮬레이션을 개발했습니다. 그들은 하와이에서 스페인으로, 애리조나에서 남극까지 흩어져있는 6 개의 지리적 위치에있는 8 개의 망원경에서 이동 / 중지 기상 조건을 고민하면서 드라 이런을했습니다. "VLBI에서는 실제로 한 발만 쏠 수 있습니다."라고 망원경을 개조하기 위해 남극으로 반복적으로 비행 한 Dan Marrone (애리조나 대학교)이 말했습니다. "모든 것이 정확히 올바르게 작동해야합니다."

그런 다음 2017 년 4 월에 그들은 그것을 위해 갔다.

지구가 돌아서 자 각 망원경은 M87과 다른 목표물을 조준하여 데이터를 비축했습니다. 관찰 실행이 끝날 무렵 관찰자들은 5 페타 바이트의 데이터로 0.5 톤의 하드 드라이브를 채웠습니다. 이는 5,000 년의 MP3 파일에 해당하거나 Marrone은 "4 만 명의 평생 동안 전체 셀카 컬렉션을 수집했습니다. ”

그런 다음 팀은이 하드 드라이브를 매사추세츠와 독일로 옮겼습니다. 여기에서 8 개 스테이션의 관측치는 슈퍼 컴퓨터에 입력되어 1 조분의 1 초 이내에 정렬되었습니다. 이미징 데이터 분석을 조정하는 데 도움을 준 Michael Johnson (천체 물리학 센터, Harvard & amp Smithsonian)은“정확히 옳 아야합니다. “아주 조금이라도 벗어나면 아무것도.”

그림자는 알고있다

그들은 멀리 떨어진 초 거대 블랙홀의 작은 실루엣을 감지하기 위해이 모든 고난을 해결했습니다.

이 작가의 인상은 관찰자가 오른쪽 가장자리를 벗어난 것으로 가정하여 그린 블랙홀 주변의 광자의 경로를 묘사합니다. 이벤트 지평선에 의한 빛의 중력 굽힘과 캡처는 이벤트 지평선 망원경이 캡처 한 그림자의 원인입니다.

가스가 블랙홀 주위를 소용돌이 치고 시공간에서 생성되는 구덩이로 더 깊이 잠수함에 따라, 블랙홀은 가열되어 X 선에서 라디오까지 전자기 스펙트럼을 통해 빛을 방출한다고 EHT 천문학 자 Feryal Özel (애리조나 대학교)은 설명합니다. 블랙홀의 이벤트 지평선에 매우 가깝게이 광자는 일시적으로 갇혀서 블랙홀 주변을 순환합니다. 광자 고리 탈출하여 망원경에 도달하기 전에. 그러나 빛나는 가스가 계속해서 떨어지면 그것은 사건의 지평선을 넘어서서 그 빛이 결코 우리에게 도달하지 않을 것입니다. 이러한 효과가 결합되어 블랙홀의 "그림자"(밝은 고리로 둘러싸인 어두운 원)를 만듭니다. 유약을 바른 도넛처럼 보입니다.

연구자들이 데이터를 보정 한 후, 그들 중 일부 (대부분 경력을 시작한 젊은 천문학 자와 컴퓨터 과학자)는 4 개의 팀으로 나뉘 었습니다. "우리는 그들에게 '서로 나 다른 사람과 이야기하지 마십시오'라고 말했습니다."라고 Marrone은 말했습니다. "‘가장 좋다고 생각하는 이미징 알고리즘을 선택하고 이러한 데이터의 이미지를 만드십시오.’"

"우리는 방에 들어갔고 거기에 6 ~ 7 명이있었습니다. 그리고 실제로 30 분 후 첫 번째 사진을 찍었습니다."

도전은 하나의 이미지를 만드는 것이 아니라 그 미묘함을 이해하는 것입니다. 팀은 알고리즘이 생성 할 수있는 모든 잠재적 이미지와 코드가 그들을 잘못 인도 할 수있는 위치를 알아야했습니다. 셀 수없이 많은 대안을 테스트 한 후, 그들은 모두 4 개의 이미지를 만나 공개했습니다. 모두 놀랍도록 비슷해 보였습니다. 고리 모양의 구조로 둘러싸인 4 개의 다크 서클이 그것입니다.

그런 다음 팀원들은 배운 내용을 사용하여 매일의 데이터를 세 가지 방식으로 체계적으로 공격하면서 스스로를 재구성했습니다. 각 방법은 약간 다른 이미지를 생성했지만 다시 한 번 이미지가 서로 놀랍도록 일치했습니다.

이러한 이미지를 하나의 이미지로 결합하는 데는 오랜 시간이 걸렸습니다. 연구자들은 확신을 전달하는 방법과 단일 알고리즘이 선호하는 부분의 부산물을 전달하는 방법을 고민했습니다. 마침내 그들은 4 개의 이미지를 결합하고 결과를 악기의 해상도에 맞게 흐리게하기로 결정했습니다. 그렇게함으로써 그들은 네 가지 방법을 모두 사용하여 나타나는 구조만을 보여주었습니다. “우리는 기본적으로이 보수적 인 이미지의 모든 요소 뒤에 서 있습니다.”라고 그는 말합니다.

그리고 그것은 어떤 이미지입니다. 실루엣의 너비는 약 40 마이크로 아크 초로 40,000 마일 떨어진 곳에서 본 썸네일 크기입니다. NSF 이사이자 천체 물리학자인 프랑스 코르도바는“이 이미지를 본 것은 이번이 처음입니다. 그리고 그것은 내 눈에 눈물을 흘 렸습니다.”라고 말했습니다.

토끼 구멍 주변

잘 알려진 타원 은하 M87은 수천 광년에 걸쳐 우리를 향하는 제트를 가지고 있습니다. EHT 관측에 대한 추가 분석은 천체 물리학 자들이 블랙홀이 제트를 발사하는 방법을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
NASA / 허블 헤리티지 팀

오늘 발표에서 팀의 주요 초점은 이미지를 만드는 것이 었습니다. 그러나 그들은 기본 물리학의 일부도 확인했습니다. 그림자의 크기를 기반으로 연구진은 블랙홀에 65 억 개의 태양 질량이 포함되어 있다고 계산했습니다.이 수치는 두 개의 경쟁 값 중 더 큰 값에 가깝습니다.

블랙홀은 우리의 관점에서 시계 방향으로 회전하고 있습니다. 남쪽의 밝은 초승달은 우리를 향해 움직이는 부스트 된 가스 빔이고, 어두운 북쪽은 가스가 우리에게서 물러나는 곳입니다. 그러나 그림자의 모양과 크기는 가장 극단적 인 회전을 제외하고는 회전과 무관하기 때문에 데이터는 블랙홀의 회전 속도를 나타내지 않습니다.

이 이미지는 또한 천체 물리학 자들에게 증가하는 블랙홀 근처에서 일어나는 일에 대한 그들의 이론에 대한 신뢰를 크게 높여줍니다. Avery Broderick (Perimeter Institute and University of Waterloo, Canada)은“저는 그것이 우리가 내린 예측과 매우 근접하게 일치한다는 사실에 약간 놀랐습니다.

"우리의 [시뮬레이션]이 M87에서 얻은 것과 같은 이미지에 너무 가까웠다는 사실만으로도 이미 우리가 부착 물리학을 이해하는 데 올바른 길을 가고 있음을 알 수 있습니다."라고 Özel은 말합니다. "우리는 완전히 벗어날 수있었습니다."

곧 연구진은 M87의 블랙홀과 같은 제트에 동력을 공급하는 데 중요한 자기장이 이벤트 지평선 근처로 이동하는 방식에 대한지도를 작성하기 시작할 것입니다. 그들은 또한 우리 은하의 중앙 블랙홀 인 궁수 자리 A *에 대한 관측을 분석 할 것입니다. 오늘날 많은 사람들이 M87이 아닌 Sgr A *에 관한 것으로 예상했지만, 우리 블랙홀은 M87 블랙홀 질량의 약 1 천분의 1이기 때문에 Sgr A *는 더 작고 가스가 그 둘레를 천 번 휩쓸고 있습니다. 더 빨리. 즉, 빛의 변화가 훨씬 빨라져 그림자 시그니처를 더 복잡하게 쪼개 게됩니다. Özel은“우리는 그것이 더 격동적인 아이라는 것을 알고있었습니다. “우리는 특별한주의를 기울여야합니다.”

이 플롯은 EHT가 탐색 중이거나 탐색 할 수있는 초대형 블랙홀을 보여줍니다. 1.3mm의 밝기는 이벤트 지평선 반경 단위로 x 축이 얼마나 작은 구조인지 y 축에 있습니다. M87과 Sgr A *의 그림자 만 지상 간섭계로 해결할 수 있지만 EHT는 다른 블랙홀 근처의 제트 또는 가스에서 놀라운 구조를 나타낼 수 있습니다.

이 팀은 이미 현재 사용되는 1.3mm보다 약간 더 짧은 파장을 사용하여 해상도를 크게 높이는 작업을 진행 중입니다. 그러나 M87과 Sgr A *는 지상 기반 네트워크에서 그림자를 감지 할 수있는 유일한 두 개의 블랙홀입니다. 더 많은 수의 블랙홀로 확장하려면 전파 망원경을 우주에 배치해야합니다. 정지 궤도를 추가하면 기준선이 지구 반경의 6 배 이상 길어 지므로 EHT는 M87의 약 10 분의 1의 블랙홀 그림자를 볼 수 있습니다.

저는 거의 10 년 전에 블랙홀에 대한 석사 논문을 쓸 때 Doeleman을 처음 만났고 다른 많은 사람들과 마찬가지로 그의 선구적인 열정을 포착했습니다. 수년 동안 저는 팀이 많은 좌절과 좌절에 직면하는 것을 지켜 왔습니다. Doeleman은 여정을 되돌아 보며 "처음 시작했을 때 얼마나 어려울 지 몰랐습니다."라고 말합니다. 그러나 그는 지치지 않았습니다. "아시다시피, 무슨 일이 있어도 계속 추진해야하는 프로젝트가 몇 개 있습니다." 블랙홀의 그림자를 본 적이 있다는 사실은 (방금 또 다른 얼룩이나 예상치 못한 것을 볼 수 있었을 때) 매혹적이고 겸손하며 모든 사람의 수년간의 노력에 대한 증거입니다. 또는 그가 말했듯이 "때로는 왕자를 얻기 전에 많은 개구리에게 키스해야합니다."

이벤트 호라이즌 망원경 협업. “최초의 M87 이벤트 호라이즌 망원경 결과. I-VI.” 천체 물리학 저널. 2019 년 4 월 10 일.

업데이트 :이 이야기의 원본 버전은 최종 이미지가 초기 4 개 이미지의 조합으로 실제로는 3 개 이미지의 조합이라고 명시했습니다. "The Shadow Knows"의 여섯 번째 단락은 나중에 설명을 수정하기 위해 추가되었습니다.

블랙홀이란 무엇입니까? 블랙홀 FAQ에서이 질문과 다른 질문에 대한 답을 찾으십시오.


유명한 블랙홀에 대한 전례없는 관측에 망원경이 결합

2019 년 4 월 과학자들은 EHT (Event Horizon Telescope)를 사용하여 은하 M87에있는 블랙홀의 첫 번째 이미지를 공개했습니다. 그러나 그 놀라운 성과는 과학 이야기의 시작에 불과했습니다.

이 블랙홀과 블랙홀이 작동하는 시스템에 대한 탁월한 통찰력을 제공하고 아인슈타인의 일반 상대성 이론 테스트를 개선 할 것을 약속하는 19 개 관측소의 데이터가 공개되고 있습니다.

일본 국립 천문대 (National Astronomical Observatory of Japan)의 Kazuhiro Hada는 "우리는 블랙홀의 첫 번째 직접적인 이미지가 획기적 일 것임을 알고있었습니다."라고 말했습니다. 그는 대규모 데이터 세트를 설명하기 위해 The Astrophysical Journal Letters에 발표 된 새로운 연구의 공동 저자입니다. . "그러나이 놀라운 이미지를 최대한 활용하려면 전체 전자기 스펙트럼을 관찰하여 당시 블랙홀의 행동에 대해 가능한 모든 것을 알아야합니다."

초 거대 질량 블랙홀의 엄청난 중력은 먼 거리에 걸쳐 거의 빛의 속도로 이동하는 입자 제트에 동력을 공급할 수 있습니다. M87의 제트기는 전파에서 가시 광선, 감마선에 이르기까지 전체 전자기 스펙트럼에 걸쳐 빛을 생성합니다. 이 스펙트럼을 가로 지르는 빛의 강도는 각 블랙홀에 대해 다른 패턴을 제공합니다. 이 패턴을 식별하면 블랙홀의 속성 (예 : 스핀 및 에너지 출력)에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있지만 패턴이 시간에 따라 변하기 때문에 이는 어려운 일입니다.

과학자들은 지상과 우주에서 세계에서 가장 강력한 많은 망원경으로 관측을 조정하여 스펙트럼 전체에서 빛을 수집함으로써 이러한 변동성을 보완했습니다. 이것은 제트기로 초대형 블랙홀에서 수행 된 가장 큰 동시 관측 캠페인입니다.

이 관측 캠페인에 참여한 NASA 망원경에는 찬드라 X 선 천문대, 허블 우주 망원경, 닐 게 렐스 스위프트 천문대, 핵 분광 망원경 배열 (NuSTAR) 및 페르미 감마선 우주 망원경이 포함되었습니다.

EHT의 상징적 인 M87 이미지를 시작으로 새로운 비디오는 시청자가 각 망원경의 데이터를 통해 여행을 떠납니다. 이 비디오는 빛의 파장과 물리적 크기 모두에서 10 가지 요소의 데이터를 보여줍니다. 이 시퀀스는 2019 년 4 월에 공개 된 M87의 블랙홀 EHT 이미지로 시작됩니다 (데이터는 2017 년 4 월에 획득). 그런 다음 전 세계의 다른 전파 망원경 어레이의 이미지를 통해 이동하며 각 단계에서 시야에서 바깥쪽으로 이동합니다. (정사각형 너비의 척도는 오른쪽 하단 모서리에 광년 단위로 표시됩니다). 다음으로 가시 광선 (Hubble 및 Swift), 자외선 (Swift) 및 X-ray (Chandra 및 NuSTAR)를 감지하는 망원경으로 시야가 변경됩니다. 화면이 분할되어 동시에 같은 양의 하늘을 덮고있는 이러한 이미지가 서로 어떻게 비교되는지 보여줍니다. 이 시퀀스는 지상에있는 감마선 망원경과 우주에있는 페르미가이 블랙홀과 그 제트에서 감지하는 것을 보여줌으로써 끝납니다.

각 망원경은 지구에서 약 5,500 만 광년 떨어진 M87 중심에있는 65 억 개의 태양 질량 블랙홀의 거동과 영향에 대한 다른 정보를 제공합니다.

"모델이 이러한 풍부한 관찰과 일치하는지 확인하기 위해 여러 그룹이 활동하고 있으며, 전체 커뮤니티가이 공개 데이터 세트를 사용하여 블랙홀과 제트기 간의 딥 링크를 더 잘 이해하는 데 도움이되는 것을 보게되어 기쁩니다. "공동 저자 인 캐나다 몬트리올에있는 McGill University의 Daryl Haggard는 말했습니다.

데이터는 전 세계 기관 및 기관이 자금을 지원하는 관측소를 사용하여 거의 200 개 기관, 32 개 국가 또는 지역에서 온 760 명의 과학자 및 엔지니어 팀이 수집했습니다. 관찰은 2017 년 3 월 말부터 4 월 중순까지 집중되었습니다.

말레이시아 쿠알라 룸푸르에있는 말라야 대학의 공동 저자 인 후안 카를로스 알 가바는“이 놀라운 관측 세트에는 세계 최고의 망원경이 많이 포함되어있다. "이것은 전 세계의 천문학 자들이 과학을 추구하기 위해 함께 일하는 훌륭한 예입니다."

첫 번째 결과는 M87의 초대형 블랙홀 주변의 물질에서 생성되는 전자기 복사의 강도가 지금까지 본 것 중 가장 낮다는 것을 보여줍니다. 이것은 사건 지평선에 가까운 지역에서 수만 광년까지 블랙홀을 연구하기위한 이상적인 조건을 만들어 냈습니다.

이 망원경의 데이터와 현재 (및 미래의) EHT 관측의 조합을 통해 과학자들은 천체 물리학의 가장 중요하고 도전적인 연구 분야에 대한 중요한 조사를 수행 할 수 있습니다. 예를 들어 과학자들은이 데이터를 사용하여 아인슈타인의 일반 상대성 이론 테스트를 개선 할 계획입니다. 현재 이러한 테스트의 주요 장애물은 블랙홀 주위를 회전하고 제트에서 분사되는 물질, 특히 방출 된 빛을 결정하는 속성에 대한 불확실성입니다.

오늘의 연구에서 다루어 진 관련 질문은 우주에서 지구를 지속적으로 공격하는 "우주 광선"이라고하는 에너지 입자의 기원에 관한 것입니다. 그들의 에너지는 지구상에서 가장 강력한 가속기 인 대형 강 입자 충돌기에서 생성 될 수있는 것보다 백만 배 더 높을 수 있습니다. 오늘날의 이미지에 표시된 것과 같이 블랙홀에서 발사 된 거대한 제트는 가장 높은 에너지 우주선의 원천으로 생각되지만 입자가 가속되는 정확한 위치를 포함하여 세부 사항에 대한 많은 질문이 있습니다. 우주 광선은 충돌을 통해 빛을 생성하기 때문에 가장 높은 에너지의 감마선이이 위치를 파악할 수 있으며, 새로운 연구에 따르면 이러한 감마선은 적어도 2017 년에는 발생하지 않을 가능성이 이벤트 지평선 근처에서 생성되지 않을 가능성이 높습니다. 이 토론은 2018 년의 관찰과 이번 주에 수집되는 새로운 데이터와 비교 될 것입니다.

암스테르담 대학의 공동 저자 인 Sera Markoff는“입자 가속도를 이해하는 것은 EHT 이미지와 제트기의 모든 '색상'에 대한 이해의 핵심입니다. "이 제트기는 거대한 전원 코드처럼 블랙홀에서 방출 된 에너지를 호스트 은하보다 더 큰 규모로 전달합니다. 우리의 결과는 전달되는 전력의 양과 블랙홀의 제트가 환경에 미치는 영향을 계산하는 데 도움이 될 것입니다. . "

이 새로운 데이터의 공개는 2018 년 이후 처음으로 전 세계 라디오 요리를 활용하는 EHT의 2021 년 관측 실행과 일치합니다. 작년의 캠페인은 COVID-19 전염병으로 인해 취소되었으며 전년도는 중단되었습니다. 예상치 못한 기술적 문제 때문입니다. 바로 이번 주, EHT 천문학 자들은 우리 은하 (궁수 자리 A *라고 불림)에있는 M87의 초 거대 블랙홀과 6 박 동안 더 먼 블랙홀을 목표로 삼고 있습니다. 2017 년과 비교해 그린란드 망원경, 애리조나의 Kitt Peak 12 미터 망원경, 프랑스의 NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA)의 세 가지 전파 망원경을 추가하여 어레이가 개선되었습니다.

Yale University의 공동 저자 인 Mislav Baloković는 "관측 재개 및 개선 된 EHT와 결합 된 이러한 데이터의 공개로 인해 많은 흥미 진진한 새로운 결과가 곧 나타나고 있음을 알고 있습니다."라고 말했습니다.


Cygnus X-1 : 가능한 블랙홀 찾기!

기괴하거나 극단적 인 천체 물리학 적 특성을 가진 특이한 천체는 흔히 일반적이고 관례적인 스타 파티 "메뉴"의 범위를 벗어나는 것을 찾고자하는 아마추어 천문학 자에게 매우 바람직한 관측 대상이됩니다. 지난 2 월이 뉴스 레터에서 저는 가장 쉽게 볼 수있는 백색 왜 성인 Omicron 2b Eridani를 찾고 관찰하는 방법을 자세히 설명하는 글을 썼습니다. 물론, 그것은 우리가 실제로 볼 수있는 빛을 가진 별입니다. 블랙홀과는 달리 전자기 (EM) 스펙트럼의 가시 대역에서는 빛을 방출하지 않으므로 보이지 않습니다. 그렇다면 허블조차도 상상할 수없는 것을 가시 광선에서 어떻게 찾을 수 있을까요? 대답은 놀랍도록 간단하며 이번 달의 주제입니다.

Cygnus의 주요 윤곽을 형성하는 눈에 띄는 Northern Cross 별표는 스타 홉을 시작할 하늘의 특정 부분을 쉽게 분리하는 열쇠입니다. 먼저, 사드르라고도 불리는 2.2 Gamma Cygni 크기의 십자가의 중심 별에 주목하십시오. 둘째, 잘 알려진 Albireo 인 등급 3.0 Beta Cygni를 선택하십시오. 이 놀라운 색상 대비 이중 (넓고 쉬움 – 많은 사람들이 좋아하는)은 백조의 머리 또는 "부리"를 표시하고 북부 십자가의 남서쪽 끝에 있으며이 지점에서 십자가의 바닥 또는 "발"을 표시합니다. 남쪽으로 별자리 불페 큘라와 거의 국경에 있습니다. 셋째, Albireo와 Sadr를 연결하는 선을 따라 대략 중간 쯤에 가장 밝은 별을 찾으십시오. 실제로 Albireo보다 Sadr에 더 가까운이 가상의 선의 중앙에서 약간 떨어져 있습니다. 이것은 Eta Cygni (등급 3.9)로 육안으로보기 위해서는 상당히 어둡고 맑은 하늘이 필요합니다. Cygnus X-1은 눈에 보이지 않지만 Eta의 ENE에 0.5도 정도만 놓여 있기 때문에 스타 홉의 쉬운 부분입니다. 블랙홀에는 쌍성 동반자가 있지만, R.A.에 위치한 HDE 226868로 알려진 크기 9.0의 파란색 초거성입니다. 19h 58m 22s, 12 월 + 35 ° 12’. 이 별을 분리하는 것은 까다 롭고 설명하기 어렵 겠지만 독자 여러분을 위해 최선을 다하겠습니다.

충분한 제한 크기와 세부 사항이있는 파인더 차트가 이상적 일 것입니다. 이러한 차트는 웹 또는 일부 스카이 아틀라스 / 플라네타리움 소프트웨어에서 사용할 수 있습니다. Burnham의 Celestial Handbook 2 권은 793-795 페이지를 Cygnus X-1에 할당합니다. 795 페이지의 사진은 별을 둘러싸고있는 작은 고리로 HDE 226868을 명확하게 식별합니다. 이는 비슷한 색상과 밝기의 다른 별이 상당히 가깝기 때문에 큰 도움이됩니다. 나는이 별을 고르는 데 익숙하지만, 한 관찰자가 별장 내에서 기록한 패턴과 모양이 다른 관찰자에게는 전혀 동일하게 나타나지 않을 수 있습니다. 또한 내가 볼 수있는 레이아웃과는 달리 스코프가이 스타 필드를 표시하는 Eta Cygni와 관련된 방향을 알 수 없습니다. (이 잠재적 인 차이가있을 수있는 몇 가지 좋은 이유가 있으므로 여기서는 모든 세부 정보를 생략하겠습니다.)

Eta Cygni의 ENE에 대략 0.75 도는 길고 가느 다란 평행 사변형을 닮은 5 성 별표가 있으며, 한쪽 끝에는 2 개의 별, 반대쪽에는 3 개의 별이 있습니다. 이 별들 중 4 개는 밝기가 비슷하며 실제로이 특정 별장 내에서 가장 밝은 별들 사이에서 두드러 질 것입니다. Eta Cygni를 향한이 별표의 측면은 나에게 측면에서 볼 때 작은 수프 그릇처럼 보이는 별도의 작은 형태 (에타쪽으로)가 있습니다. 이 "그릇"은 바닥이 평형 사변형의 측면에 닿아 있고 다른 별표와 관련하여 현저하게 기울어 져 있습니다. 그릇이 바닥에 균등하거나 똑바로 놓여 있지 않습니다. 5 개 또는 6 개의 별이이 그릇 모양의 형태를 표시하지만 균등하지는 않습니다. 한 섹션은 "채워진"상태가 아니며 맨 위 줄의 한쪽 끝 (가장 넓은 부분)을 다른 쪽 끝과 구별하는 능력은 내가 무엇을 보는가에 달려 있습니다. 그릇의 윤곽이 불완전하다는 것을 의미합니다. 더 밝은 별이 모양을 설명하는 "더 풍성한"면이 핵심입니다. 아직도 나와 함꼐? 거의 다 왔어.

이제이 작은 그릇의 상단 가장자리를 상상해보십시오.이 작은 그릇은 거의 0.5도 떨어진 Eta Cygni를 향하고 있습니다. (그릇의 상단 선과 Eta Cygni 사이의 중간에 작은 정사각형 모양의 별표가 눈에 띌 수 있습니다. 모서리의 세 개는 비슷한 등급의 별을 가지고 있지만 Eta 근처에있는 별 하나는 훨씬 더 밝습니다.) 상상의 선에 집중하십시오. 측면에서 볼 때 그릇을 설명하고 있음을 염두에두고 그릇의 상단 가장자리를 형성합니다. 이 선의 중간 지점 근처에서 서로 상당히 가까운 두 개의 별을 볼 수 있습니다. 이 쌍은 흰색이 비슷하지만 크기가 약간 고르지 않은 넓은 이중 별처럼 보입니다. 이 별들을 연결하는 선은 그릇의 위쪽 가장자리를 형성하는 선과 약간 평행하지 않지만 그다지 많지는 않습니다. 이 선을 따라 그릇의 맨 위 가장자리의 각 끝을 표시하는 두 개 외에 다른 눈에 띄는 별이 없습니다. 이 두 별을 확실하게 식별 할 수 있다면 이제 HDE 226868을보고 있다는 것을 알기 위해 하나만 구별하면됩니다!

반대쪽보다 별에 의해 더 완전히 윤곽이 잡힌 그릇의 측면을 주목하십시오. (이것은 쉽게 할 수 있습니다.) 그 쪽의 상단으로 이동하여 그릇의 상단을 가로 지르는 가상의 선을 사용합니다. 중앙 근처에있는 한 쌍의 별, 맨 위 선을 따라이 시작점에서 작업하게되는 첫 번째 별입니다. 올바른 별이 될 것입니다. 쌍 중 더 밝고 보울 상단 라인의 정확한 중간 지점에서 가장 먼 곳입니다. (아휴!)

Cygnus X-1은 눈에 보이는 동반 별에서 약 0.2AU 거리 인 1,800 ~ 1,900 만 마일에 위치해 있습니다. 시스템까지의 거리는 약 6,000 광년이 될 수 있습니다. 즉, 9 등급 별이 이렇게 먼 거리에서도 쉽게 볼 수있는 진정한 광도의 강국입니다. 블랙홀이 HDE 226868에 너무 가까운 물체인지 어떻게 알 수 있습니까? 눈에 보이는 별 자체는 하늘의이 정확한 지점에서 감지 된 고강도로 X 선을 생성하지 않을 것입니다. 따라서 거대하고 콤팩트하며 보이지 않는 몸체는 별과 매우 가깝게 존재해야합니다.이 물체는 이러한 집중된 X 선 방출을 담당합니다. 그 구멍은 아마도 보이는 별에서 물질을 떼어내는 것이 아니라, 별 (약간 가변적 임)이 태양풍을 통해 점차적으로 자신의 질량을 방출하고 있습니다. 이 가스 중 일부는 구멍을 도는 부착 디스크에 자연스럽게 포집됩니다. 환상적인 궤도 속도로 사건 지평선 주위를 돌고있는 것과 같은 물질의 움직임은 갇힌 가스의 구성 입자들 사이에 엄청난 마찰을 일으켜 열을 수백만도까지 상승시켜 X- 선이 그렇게 풍부하게 생성됩니다.

Cygnus X-1은 아마도 실제 블랙홀로 알려진 모든 "후보"중 최고 일 것입니다. 그 발견, 관측의 역사 및 천체 물리학 연구에 대해 더 많이 배우고 싶은 독자는 수많은 천문학 자료에서 이러한 정보를 쉽게 찾을 수 있습니다. 제가 제안한 스타 홉을 시도 해주신 분들께 행운을 빕니다. 그 노력이 매우 가치 있다고 생각합니다. (Burnham의 Celestial Handbook을 잊지 마십시오. "파인더 사진"은 큰 도움이 될 수 있습니다.)


X- 레이 이미징

특정 재료를 투과 할 수있는 능력으로 인해 X-ray는 여러 비파괴 평가 및 테스트 응용 프로그램, 특히 구조 구성 요소의 결함 또는 균열을 식별하는 데 사용됩니다. NDT 리소스 센터에 따르면 "방사선은 부품을 통해 [a] 필름 또는 기타 감지기로 향합니다. 결과 섀도우 그래프는 내부 ​​특징을 보여줍니다"와 부품이 소리인지 여부를 보여줍니다. 이것은 의사와 치과에서 각각 뼈와 치아의 X-ray 이미지를 만드는 데 사용되는 것과 동일한 기술입니다. [이미지 : Stunning Fish X-rays]

X-ray는화물, 수하물 및 승객의 운송 보안 검사에도 필수적입니다. 전자 이미징 감지기를 사용하면 패키지 및 기타 승객 품목의 내용물을 실시간으로 시각화 할 수 있습니다.

X-ray의 원래 사용은 당시 사용 가능한 필름의 연조직과 쉽게 구별되는 뼈를 이미징하는 데 사용되었습니다. 그러나보다 정확한 포커싱 시스템과 개선 된 사진 필름 및 전자 이미징 센서와 같은보다 민감한 감지 방법은 훨씬 더 낮은 노출 수준을 사용하면서 점점 더 미세한 디테일과 조직 밀도의 미묘한 차이를 구별 할 수있게했습니다.

또한 컴퓨터 단층 촬영 (CT)은 여러 X-ray 이미지를 관심 영역의 3D 모델로 결합합니다.

Helmholtz 재료 및 에너지 센터에 따르면 CT와 마찬가지로 싱크로트론 단층 촬영은 엔지니어링 구성 요소와 같은 물체의 내부 구조에 대한 3 차원 이미지를 나타낼 수 있습니다.


Telescopes Unite in Unprecedented Observations of Famous Black Hole

In 2017, three observatories managed by the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian participated in the largest simultaneous observing campaign ever undertaken on a supermassive black hole with jets data from their observations are being released today.

Cambridge, MA - In April 2019, scientists released the first image of a black hole in galaxy M87 using the Event Horizon Telescope (EHT). However, that remarkable achievement was just the beginning of the science story to be told.

Data from 19 observatories released today promise to give unparalleled insight into this black hole and the system it powers, and to improve tests of Einstein’s General Theory of Relativity.

"We knew that the first direct image of a black hole would be groundbreaking," says Kazuhiro Hada of the National Astronomical Observatory of Japan, a co-author of a new study published in The Astrophysical Journal Letters that describes the large set of data. "But to get the most out of this remarkable image, we need to know everything we can about the black hole’s behavior at that time by observing over the entire electromagnetic spectrum."

The immense gravitational pull of a supermassive black hole can power jets of particles that travel at almost the speed of light across vast distances. M87’s jets produce light spanning the entire electromagnetic spectrum, from radio waves to visible light to gamma rays. This pattern is different for each black hole. Identifying this pattern gives crucial insight into a black hole’s properties—for example, its spin and energy output—but is a challenge because the pattern changes with time.

Scientists compensated for this variability by coordinating observations with many of the world’s most powerful telescopes on the ground and in space, collecting light from across the spectrum. These 2017 observations were the largest simultaneous observing campaign ever undertaken on a supermassive black hole with jets.

Three observatories managed by the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian participated in the landmark campaign: the Submillimeter Array (SMA) in Hilo, Hawaii the space-based Chandra X-ray Observatory and the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) in southern Arizona.

Beginning with the EHT's now iconic image of M87, a new video takes viewers on a journey through the data from each telescope. Each consecutive frame shows data across many factors of ten in scale, both of wavelengths of light and physical size.

The sequence begins with the April 2019 image of the black hole. It then moves through images from other radio telescope arrays from around the globe (SMA), moving outward in the field of view during each step. Next, the view changes to telescopes that detect visible light, ultraviolet light, and X-rays (Chandra). The screen splits to show how these images, which cover the same amount of the sky at the same time, compare to one another. The sequence finishes by showing what gamma-ray telescopes on the ground (VERITAS), and Fermi in space, detect from this black hole and its jet.

Each telescope delivers different information about the behavior and impact of the 6.5-billion-solar-mass black hole at the center of M87, which is located about 55 million light-years from Earth.

"There are multiple groups eager to see if their models are a match for these rich observations, and we're excited to see the whole community use this public data set to help us better understand the deep links between black holes and their jets," says co-author Daryl Haggard of McGill University in Montreal, Canada.

The data were collected by a team of 760 scientists and engineers from nearly 200 institutions, spanning 32 countries or regions, and using observatories funded by agencies and institutions around the globe. The observations were concentrated from the end of March to the middle of April 2017.

"This incredible set of observations includes many of the world's best telescopes," says co-author Juan Carlos Algaba of the University of Malaya in Kuala Lumpur, Malaysia. "This is a wonderful example of astronomers around the world working together in the pursuit of science."

The first results show that the intensity of the light produced by material around M87's supermassive black hole was the lowest that had ever been observed. This produced ideal conditions for viewing the ‘shadow’ of the black hole, as well as being able to isolate the light from regions close to the event horizon from those tens of thousands of light-years away from the black hole.

The combination of data from these telescopes, and current (and future) EHT observations, will allow scientists to conduct important lines of investigation into some of astrophysics' most significant and challenging fields of study. For example, scientists plan to use these data to improve tests of Einstein's Theory of General Relativity. Currently, uncertainties about the material rotating around the black hole and being blasted away in jets, in particular the properties that determine the emitted light, represent a major hurdle for these General Relativity tests.

A related question that is addressed by today's study concerns the origin of energetic particles called "cosmic rays," which continually bombard the Earth from outer space. Their energies can be a million times higher than what can be produced in the most powerful accelerator on Earth, the Large Hadron Collider. The huge jets launched from black holes, like the ones shown in today’s images, are thought to be the most likely source of the highest energy cosmic rays, but there are many questions about the details, including the precise locations where the particles get accelerated. Because cosmic rays produce light via their collisions, the highest-energy gamma rays can pinpoint this location, and the new study indicates that these gamma-rays are likely not produced near the event horizon—at least not in 2017. A key to settling this debate will be comparison to the observations from 2018, and the new data being collected this week.

"Understanding the particle acceleration is really central to our understanding of both the EHT image as well as the jets, in all their 'colors'," says co-author Sera Markoff from the University of Amsterdam. "These jets manage to transport energy released by the black hole out to scales larger than the host galaxy, like a huge power cord. Our results will help us calculate the amount of power carried, and the effect the black hole’s jets have on its environment."

The release of this new treasure trove of data coincides with the EHT's 2021 observing run, which leverages a worldwide array of radio dishes, the first since 2018. Last year's campaign was canceled because of the COVID-19 pandemic, and the previous year was suspended because of unforeseen technical problems. This very week, for six nights, EHT astronomers are targeting several supermassive black holes: the one in M87 again, the one in our Galaxy called Sagittarius A*, and several more distant black holes. Compared to 2017, the array has been improved by adding three more radio telescopes: the Greenland Telescope, the Kitt Peak 12-meter Telescope in Arizona, and the NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in France.

"With the release of these data, combined with the resumption of observing and an improved EHT, we know many exciting new results are on the horizon," says co-author Mislav Baloković of Yale University.

"I'm really excited to see these results come out, along with my fellow colleagues working on the SMA, some of whom were directly involved in collecting some of the data for this spectacular view into M87," says co-author Garrett Keating, a Submillimeter Array project scientist. "And with the results of Sagittarius A* — the massive black hole at the center of the Milky Way — coming out soon, and the resumption of observing this year, we are looking forward to even more amazing results with the EHT for years to come."

Additional Information

The Astrophysical Journal Letter describing these results is available here. This paper was led by 33 members of the EHT Multiwavelength Science Working Group, and includes as coauthors members of the following collaborations: the entire Event Horizon Telescope Collaboration the Fermi Large Area Telescope Collaboration the H.E.S.S collaboration the MAGIC collaboration the VERITAS collaboration and the EAVN collaboration. The coordinators of the EHT Multiwavelength Science Working Group are Sera Markoff, Kazuhiro Hada, and Daryl Haggard, who together with Juan Carlos Algaba and Mislav Baloković, also coordinated work on the paper.

Partner MWL facilities include: European VLBI Network (EVN) High Sensitivity Array (HSA) VLBI Exploration of Radio Astrometry (VERA) Korea VLBI Network (KVN) East Asian VLBI Network/KVN and VERA Array (EAVN/KaVA) Very Long Baseline Array (VLBA) Global Millimeter VLBI Array (GMVA) Very Large Telescope Interferometer GRAVITY Instrument (VLTI/GRAVITY) Neil Gehrels Swift Observatory (Swift) Hubble Space Telescope (HST) Chandra X-ray Observatory (Chandra) Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) High Throughput X-ray Spectroscopy Mission and X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton) Fermi Large Area Space Telescope (Fermi-LAT) High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS).

The 2017 campaign involved a large number of observatories and telescopes. At radio wavelengths it involved: the European Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Network (EVN) on May 9, 2017 the High Sensitivity Array (HSA), which includes the Very Large Array (VLA), the Effelsberg 100m antenna and the 10 stations of the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) Very Long Baseline Array (VLBA) on May 15, 16 and 20 the VLBI Exploration of Radio Astronomy (VERA) over 17 different times in 2017 the Korean VLBI Network (KVN) over seven epochs between March and December the East Asian VLBI Network (EAVN) and the KVN and VERA Array (KaVA) , over 14 epochs between March and May 2017 the VLBA on May 5, 2017 the Global Millimeter-VLBI-Array (GMVA) on March 30, 2017 the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) the Submillimeter Array (SMA) as part of an ongoing monitoring program. At ultraviolet (UV) wavelengths it involved the Neil Gehrels Swift Observatory (Swift) with multiple observations between March 22 and April 20, 2017 and at optical wavelengths: Swift and the Hubble Space Telescope on April 7, 12, and 17, 2017. (The Hubble data were retrieved from the Hubble archive because it was part of an independent observing program.) At X-ray wavelengths it involved the Chandra X-ray Observatory on April 11 and 14, 2017 the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) on April 11 and 14, 2017 and Swift. At gamma-ray wavelengths it involved Fermi from March 22 to April 20, 2017 the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S) the Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) telescopes, and the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS).

The EHT Multi-wavelength (MWL) Working Group is a collective of EHT Collaboration members and external partners working together to ensure broadband MWL coverage during EHT campaigns, to maximize science output. The EHT collaboration involves more than 300 researchers from Africa, Asia, Europe, North and South America. The international collaboration is working to capture the most detailed black hole images ever obtained by creating a virtual Earth-sized telescope. Supported by considerable international investment, the EHT links existing telescopes using novel systems — creating a fundamentally new instrument with the highest angular resolving power that has yet been achieved.

The individual EHT telescopes involved are: ALMA, APEX, the IRAM 30-meter Telescope, the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), the Large Millimeter Telescope (LMT), the Submillimeter Array (SMA), the Submillimeter Telescope (SMT), and the South Pole Telescope (SPT). The Greenland Telescope, the Kitt Peak Telescope, and NOEMA joined EHT after the 2017 observations.

Partner MWL facilities include: European VLBI Network (EVN) High Sensitivity Array (HSA) VLBI Exploration of Radio Astrometry (VERA) Korea VLBI Network (KVN) East Asian VLBI Network/KVN and VERA Array (EAVN/KaVA) Very Long Baseline Array (VLBA) Global Millimeter VLBI Array (GMVA) Very Large Telescope Interferometer GRAVITY Instrument (VLTI/GRAVITY) Neil Gehrels Swift Observatory (Swift) Hubble Space Telescope (HST) Chandra X-ray Observatory (Chandra) Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) High Throughput X-ray Spectroscopy Mission and X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton) Fermi Large Area Space Telescope (Fermi-LAT) High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) and the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS).

About the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian


How the world came to understand black holes

Roger Penrose, Reinhard Genzel and Andrea Ghez. They are joint winners of 2020’s Nobel Prize in physics for their work on black holes. Image via Nobel Media.

Earlier this month (October 6, 2020), the Nobel Prize in physics was announced for two groundbreaking discoveries in astrophysics, both centered on black holes. Half of 2020’s prize went to mathematician Roger Penrose of the University of Oxford “for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity.” The other half went jointly to Reinhard Genzel of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Germany and Andrea Ghez of University of California, Los Angeles, “for the discovery of a supermassive compact object at the center of our galaxy.”

It was a great moment for black hole physics as well as for the astronomy and astrophysics field in general. And it’s a wonderful time to contemplate the fascinating history of black hole science.

What are black holes?

Black holes are exotic objects in space. The classic scenario for black hole formation centers on a massive star that runs out of the internal fuel it needs to shine. The star collapses under the pull of its own self-gravity, leaving behind a high-density, compact object with an immense gravitational pull. A black hole is a place in space containing an object so dense and so compact that it forms a region around itself from which light cannot escape. The boundary of this region is known as an event horizon. Once past a black hole’s event horizon, the gravitational pull of the hole is inexorable.

If there is material in space near the black hole – and if this material draws too close – it’s pulled inside. But it doesn’t just drop all at once into the hole instead, it forms a glowing disk surrounding the black hole called an accretion disk. Friction within the accretion disk can heat the disk to billions of degrees, causing it to emit radiation across the electromagnetic spectrum. Thus, although no light can escape a black hole, astronomers can observe black holes in space via their accretion disks.

What’s more, in the process of conservation of angular momentum, black holes can cause outbursts which come out perpendicular to the accretion disk. These outbursts are called 제트기 by astronomers, and they can propel material out into space at relativistic speeds, that is, speeds that are a significant fraction of the speed of light (186,000 miles or 300,000 km per second). Astronomers can study black hole jets, too, to learn more about black holes.

Development of theories of black holes

All of the above was 이론, developed in the 20th century. Albert Einstein’s General Theory of Relativity, published in 1916, contained the seeds of the modern concept of black holes, although the first ever mention of a similar concept is found in 1783, when an English natural philosopher by the name of John Michell theorized the existence of massive objects from which light cannot escape.

Einstein’s theory of relativity discusses the curvature of space-time as a result of gravity. This curvature causes an object to move along a curved path equivalent to a straight line in the absence of gravity. The theory allowed for the existence of matter packed in small and infinitely warped space. The theory was published as The Field Equations of Gravitation in 1915.

While serving in the German Army during World War I, astronomer and director of the Astrophysical Observatory in Potsdam Karl Schwarzschild was the first to solve Einstein’s field equations. His solution successfully described how space-time is curved, not just around a planet or a star, but also around theoretical high-density masses, such as black holes. In the space around an object that’s dense enough, and massive enough, gravity is so strong that even light – the fastest-moving stuff in the universe at 186,000 miles (300,000 km) per second – cannot escape. Thus it was Schwarzschild who first conceived of the event horizon, or boundary region around a black hole. Today, physicists speak of the Schwarzschild radius, which is (basically) the radius of a black hole’s event horizon. Schwarzschild’s solution to Einstein’s field equations also elegantly explained the concept of a singularity – the central point of a black hole – a point in space where all the laws of physics break down.

At first, this concept was considered a mathematical curiosity. Scientists, including Einstein, had no idea such objects could exist in nature.

But 50 years later, in 1965, Roger Penrose, working with the great theoretical physicist and cosmologist Stephen Hawking, showed that the black holes can indeed exist in nature and that they can form through a stable and robust process. And in fact, for some stars, black holes are the ultimate fate, an unavoidable outcome of stellar collapse.

The momentous work by Penrose and Hawking opened a new era in the study of black holes. Penrose’s work was also pivotal in showing how black holes emit energy through the Penrose process, in the form of jets and outbursts.

In the meantime, it was physicist John Wheeler who, in 1967, popularized the term black hole. Wheeler summarized Einstein’s equations as:

Space-time tells matter how to move matter tells space-time how to curve.

Observations of black holes

Astronomers didn’t discover the first stellar-mass black hole – Cygnus X-1 – until after the middle of the 20th century. A 1964 rocket flight revealed Cygnus X-1 as one of the strongest sources of X-rays that had yet been seen from Earth. By the 1970s, most astronomers believed Cygnus X-1 was indeed a black hole. It’s now thought to be a black hole with a mass some 14.8 times that of our sun and an event horizon with a radius of around 27 miles (44 km). That’s in contrast to our sun’s radius of about 433,000 miles (696,000 km).

Stellar-mass black holes are hard to find because of their quiescent nature. They might display short and unpredictable outbursts when some passing material strikes their accretion disks, after which they might go quiet for decades.

That is why it took the discovery of supermassive black holes at the centers of most galaxies, including our own Milky Way, to give black hole science its real boost.

Left: Cygnus X-1 as observed by the Chandra X-ray observatory. Right: Artist’s concept of black hole accreting matter from its companion star. Image via (left) NASA/ CXC/ SAO (right) NASA/ CXC/ M.Weiss.

Supermassive black holes

Today, astronomers believe that most galaxies harbor supermassive black holes in their centers. Supermassive black holes have masses equivalent to millions to billions of solar masses and are believed to form in the centers of galaxies around the same time as the galaxy is forming. Over 100,000 supermassive black hole candidates have been observed to date, many more than the number of known stellar-mass black holes.

Among the many observed black hole candidates, the one at the center of our own Milky Way galaxy is called Sagittarius A* (Sgr A*, pronounced Sagittarius A-star). Two independent studies carried out in the last 25 years, led by Andrea Ghez and Reinhard Genzel – joint winners of half of 2020’s Nobel prize in physics – mapped the stars orbiting an invisible object at the center of our Milky Way. Using the powerful telescopes at Keck Observatory in Hawaii and the Very Large Telescope in Chile, the teams focused on one star known as S0-2. S0-2 orbits closer to our galaxy’s central supermassive black hole than any other observed star.

Knowing the orbital period of the star S0-2, its very elongated elliptical orbit and the distance of its closest approach to our galaxy’s central black hole enabled scientists to calculate the mass of Sgr A* as the equivalent of 4 million solar masses. The teams were able to observe two full orbits of the star S0-2 around the central black hole, which further bolstered their claims and also proved, through observations, what Einstein, Schwarzchild, and Penrose had predicted in theory about black holes.

The region around Sagittarius A* in the center of our galaxy. Left: X-ray (blue) and infrared emission (red and yellow). The inset (X-ray only) shows the hot gas captured by the central black hole, Sgr A*. Image via NASA/ UMass/ D.Wang et al./ NASA/ STScI. Right: orbits of stars in the galactic center observed over 15 years. Image via Andrea Ghez/ UCLA Galactic Center Group.

Further validation of Einstein’s general theory of relativity came when, on April 10, 2019, the Event Horizon Telescope collaboration released the first-ever image of a black hole in the relatively nearby (by cosmic standards) galaxy known as M87, visible in the constellation Virgo. The gargantuan black hole in M87’s center weighs a whopping 6.5 billion solar masses. The galaxy M87 and its famous jet – an energetic outflow of high energy particles from its center – had been observed for several decades. However, this was the first ever successful attempt at direct imaging of its black hole. The image shows a bright ring formed by the bending of light at the boundary of the black hole’s event horizon, caused by its extreme gravitational pull.

A follow-up of these observations came in September 2020, when the Event Horizon Telescope collaboration released more measurements of M87’s black hole observed in 2009, 2011, 2012 and 2013. Analysis from these observations reveal interesting and exciting information about the swirling of the bright ring caused by bending of light, and also a crescent-like feature which seems to be changing its orientation over the period of observations, giving the ring an appearance of wobbling.

These latest results by the Event Horizon Telescope team have opened a new window to our understanding of the physics of black holes and their gravity.

With this new knowledge and the emergence of more advanced ground- and space-based telescopes and technologies in the next decade or so, we are on the cusp a new, exciting era in the research in black hole physics and astronomy. We still have no observational evidence whether normal physics is valid inside black holes. Future observations of black holes and their surroundings will very likely add greatly to our understanding of black holes and may bring us new theories in physics and astronomy.

The famous image of the M87* black hole (top right) and models based on data observed earlier (2009-2013, middle row) by the Event Horizon Telescope, which consists of an array of telescopes. The diameter of all rings is similar, but the location of the bright side varies. Image via M. Wielgus/ D. Pesce/ Event Horizon Telescope collaboration.

Bottom line: The 2020 Nobel prize in physics went to Roger Penrose, Reinhard Genzel, and Andrea Ghez for their groundbreaking work in the observation and theory of black holes. This article traces the history of our understanding of black holes.


What is the electromagnetic spectrum?

When you think of light, you probably think of what your eyes can see. But the light to which our eyes are sensitive is just the beginning it is a sliver of the total amount of light that surrounds us. 그만큼 electromagnetic spectrum is the term used by scientists to describe the entire range of light that exists. From radio waves to gamma rays, most of the light in the universe is, in fact, invisible to us!

Light is a wave of alternating electric and magnetic fields. The propagation of light isn’t much different than waves crossing an ocean. Like any other wave, light has a few fundamental properties that describe it. One is its frequency, measured in hertz (Hz), which counts the number of waves that pass by a point in one second. Another closely related property is wavelength: the distance from the peak of one wave to the peak of the next. These two attributes are inversely related. The larger the frequency, the smaller the wavelength – and vice versa.

The electromagnetic waves your eyes detect – visible light – oscillate between 400 and 790 terahertz (THz). That’s several hundred trillion times a second. The wavelengths are roughly the size of a large virus: 390 – 750 nanometers (1 nanometer = 1 billionth of a meter a meter is about 39 inches long). Our brain interprets the various wavelengths of light as different colors. Red has the longest wavelength, and violet the shortest. When we pass sunlight through a prism, we see that it’s actually composed of many wavelengths of light. The prism creates a rainbow by redirecting each wavelength out at a slightly different angle.

The entire electromagnetic spectrum is much more than just visible light. It encompasses of range of wavelengths of energy that our human eyes can’t see. Image via NASA/Wikipedia.

But light doesn’t stop at red or violet. Just like there are sounds we can’t hear (but other animals can), there is also an enormous range of light that our eyes can’t detect. In general, the longer wavelengths come from the coolest and darkest regions of space. Meanwhile, the shorter wavelengths measure extremely energetic phenomena.

Astronomers use the entire electromagnetic spectrum to observe a variety of things. Radio waves and microwaves – the longest wavelengths and lowest energies of light – are used to peer inside dense interstellar clouds and track the motion of cold, dark gas. Radio telescopes have been used to map the structure of our galaxy while microwave telescopes are sensitive to the remnant glow of the Big Bang.

This image from the Very Large Baseline Array (VLBA) shows what the galaxy M33 would look like if you could see in radio waves. This image maps atomic hydrogen gas in the galaxy. The different colors map velocities in the gas: red shows gas moving away from us, blue is moving towards us. Image via NRAO/AUI.

Infrared telescopes excel at finding cool, dim stars, slicing through interstellar dust bands, and even measuring the temperatures of planets in other solar systems. The wavelengths of infrared light are long enough to navigate through clouds that would otherwise block our view. By using large infrared telescopes, astronomers have been able to peer through the dust lanes of the Milky Way into the core of our galaxy.

This image from the Hubble and Spitzer space telescopes shows the central 300 light-years of our Milky Way galaxy, as we would see it if our eyes could see infrared energy. The image reveals massive star clusters and swirling gas clouds. Image via NASA/ESA/JPL/Q.D. Wang and S. Stolovy.

The majority of stars emit most of their electromagnetic energy as visible light, the tiny portion of the spectrum to which our eyes are sensitive. Because wavelength correlates with energy, the color of a star tells us how hot it is: red stars are coolest, blue are hottest. The coldest of stars emit hardly any visible light at all they can only be seen with infrared telescopes.

At wavelengths shorter than violet, we find the ultraviolet, or UV, light. You may be familiar with UV from its ability to give you a sunburn. Astronomers use it to hunt out the most energetic of stars and identify regions of star birth. When viewing distant galaxies with UV telescopes, most of the stars and gas disappear, and all the stellar nurseries flare into view.

A view of the spiral galaxy M81 in the ultraviolet, made possible by the Galex space observatory. The bright regions show stellar nurseries in the spiral arms. Image via NASA.

Beyond UV come the highest energies in the electromagnetic spectrum: X-rays and gamma rays. Our atmosphere blocks this light, so astronomers must rely on telescopes in space to see the X-ray and gamma ray universe. X-rays come from exotic neutron stars, the vortex of superheated material spiraling around a black hole, or diffuse clouds of gas in galactic clusters that are heated to many millions of degrees. Meanwhile, gamma rays – the shortest wavelength of light and deadly to humans – unveil violent supernova explosions, cosmic radioactive decay, and even the destruction of antimatter. Gamma ray bursts – the brief flickering of gamma ray light from distant galaxies when a star explodes and creates a black hole – are among the most energetic singular events in the universe.

If you could see in X-rays, over long distances, you’d see this view of the nebula surrounding pulsar PSR B1509-58. This image is from the Chandra telescope. Located 17,000 light-years away, the pulsar is the rapidly spinning remnant of a stellar core left behind after a supernova. Image via NASA.

Bottom line: The electromagnetic spectrum describes all the wavelengths of light – both seen and unseen.


Scientists get more great looks at the 1st black hole ever photographed

Observations of M87's monster black hole continue to roll in.

The supermassive black hole at the heart of the galaxy M87 is coming into sharper and sharper focus.

Two years ago, astronomers with the Event Horizon Telescope (EHT) project unveiled imagery of that black hole, which lies 55 million light-years from Earth and is as massive as 6.5 billion suns. Those photos were historic — the first direct views of a black hole that humanity had ever captured.

In the spring of 2017, as the EHT team was gathering some of the data that would result in the epic imagery, nearly 20 other powerful telescopes on the ground and in space were studying the M87 black hole as well.

A new study describes this huge and powerful data set, which contains observations across a wide range of wavelengths gathered by NASA's Hubble Space Telescope, Chandra X-ray Observatory, the Neil Gehrels Swift Observatory, the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) and Fermi Gamma-ray Space Telescope, as well as a number of other scopes.

"We knew that the first direct image of a black hole would be groundbreaking," study co-author Kazuhiro Hada, of the National Astronomical Observatory of Japan, said in a statement. "But to get the most out of this remarkable image, we need to know everything we can about the black hole's behavior at that time by observing over the entire electromagnetic spectrum."

That behavior includes the launching of jets, or beams of radiation and fast-moving particles rocketing outward from M87's black hole. Astronomers think such jets are the source of the highest-energy cosmic rays, particles that zoom through the universe at nearly the speed of light.

The new data set gathers the results of the most intensive simultaneous observing campaign ever undertaken on a black hole with jets, study team members said. So, plumbing it could yield key insights into jet dynamics and the origins of cosmic rays, among other things.

"Understanding the particle acceleration is really central to our understanding of both the EHT image as well as the jets, in all their 'colors,'" co-author Sera Markoff, an astrophysicist with the University of Amsterdam, said in the same statement.

"These jets manage to transport energy released by the black hole out to scales larger than the host galaxy, like a huge power cord," Markoff said. "Our results will help us calculate the amount of power carried and the effect the black hole's jets have on its environment."

The EHT, which links radio telescopes around the world to form a virtual instrument the size of Earth itself, is scheduled to begin observing the M87 black hole again this week after a two-year hiatus. The project gathers data only during a short window in the Northern Hemisphere spring each year, when the weather tends to be good at its various observing sites. Technical issues scuttled the 2019 campaign, and last year's was called off because of the coronavirus pandemic.

As in previous years, the new EHT campaign will also include observations of the supermassive black hole at the heart of our own Milky Way galaxy, a 4.3-million-solar-mass object known as 궁수 자리 A *. The new data could be even more revealing, because the EHT recently added three big scopes to its network — the Greenland Telescope, the Kitt Peak 12-meter Telescope in Arizona, and the Northern Extended Millimeter Array in France.

"With the release of these data, combined with the resumption of observing and an improved EHT, we know many exciting new results are on the horizon," study co-author Mislav Baloković, of Yale University, said in the same statement.

The new study, which gathers the work of 760 scientists and engineers from nearly 200 institutions across the globe, was published online Wednesday (April 14) in The Astrophysical Journal Letters.

Mike Wall is the author of "Out There" (Grand Central Publishing, 2018 illustrated by Karl Tate), a book about the search for alien life. Follow him on Twitter @michaeldwall. Follow us on Twitter @Spacedotcom or Facebook.


The electromagnetic spectrum ( EMS ) is the general name given to the known range of electromagnetic radiation. Wavelengths increase from approximately 10 -18 m to 100 km, and this corresponds to frequencies decreasing from 3 × 10 26 Hz to 3 吆 3 Hz.

The image below shows the names given to different regions of the EMS . Note that the visible part of the spectrum, the only type of electromagnetic radiation that we can detect with our eyes, makes up only a tiny fraction of the EMS .

어디 에프 is the frequency and h is Planck’s constant which has the value:

The table below lists typical wavelengths, frequencies and energies for different regions of the EMS .

Region 파장 Frequency Energy
Hard gamma 1 × 10 -9 nm 3 × 10 26 Hz 1.2 × 10 12 eV
Gamma 1 × 10 -6 nm 3 × 10 23 Hz 1.2 GeV
Gamma/X-ray 0.001 nm 3 × 10 19 Hz 12 MeV
X-ray 1 nm 3 × 10 17 Hz 120 keV
X-ray/Ultraviolet 10 nm 3 × 10 16 Hz 12 keV
Ultraviolet 100 nm 3 × 10 15 Hz 1.2 keV
Visible (blue) 400 nm 7.5 × 10 14 Hz 3.1 eV
Visible (red) 700 nm 4.3 × 10 14 Hz 1.8 eV
Infrared 10000 nm 3 × 10 13 Hz 0.12 eV
Microwave 1 cm 30 GHz 1.2 × 10 -4 eV
Microwave/Radio 10 cm 3GHz 1.2 × 10 -5 eV
Radio 100 m 3 MHz 1.2 × 10 -8 eV
Radio 100 km 3 kHz 1.2 × 10 -11 eV

Study Astronomy Online at Swinburne University
All material is © Swinburne University of Technology except where indicated.


The Labor of Hercules A

Black holes may be the most ironic objects in the Universe. They are objects with gravity so fierce that if you venture too close, literally no force in the Universe can prevent you from falling in. Not even light can escape, which is why we call them what we do.

Yet they also power the brightest objects in the Universe. As matter falls in, it forms a disk just outside the black hole that gets infernally hot, blasting out radiation bright enough that it can be seen across the Universe. Not only that, due to forces in the disk like friction and magnetism ramped up to mind-numbing intensities, this disk can focus and blast out two incredibly powerful beams of matter and energy which scream out into space, forming structures both vast and beautiful … like the ones seen in the galaxy Hercules A:

Seriously, grab the embiggened version of that. It’s stunning. I’m using it as my computer’s desktop image, in fact. There’s also an incredible 5000 x 3500 pixel version.

In the heart of the galaxy Hercules A is a monster black hole: It’s about 600 times as massive as the black hole in the center of our Milky Way, making it about 2.5 십억 times the Sun’s mass. It’s one of the largest known black holes in the Universe, so big we call it “supermassive.”

And it’s hungry. Material is actively funneling down into the maw of that beast, forming a huge disk and blasting out those jets of material you can see in the picture (which is a combination of visible light seen by the Hubble Space Telescope and radio waves—colored pink in the image—detected by the Karl G. Jansky Very Large Array). Focused tightly, those jets march across space at ridiculously high speed, slamming into material around them. Eventually they lose enough energy that they slow and puff outward, forming those twin lobes. When this happens, the material emits light in the radio part of the electromagnetic spectrum. The lobes of Herc A make it one of the brightest sources of radio waves in the entire sky.

The scale of this will turn your brain into goo: Those lobes are well over 1.5 million light years across from tip to tip, 15 times the size of our entire galaxy! And they’re powerful, emitting a billion times the energy our Sun does at radio wavelengths. The energy flowing out of Hercules A is simply insane. In X-rays alone it blasts out 100 billion times as much energy as our Sun does in 모두 wavelengths of light. Replace our Sun with an object that bright and the Earth would vaporize.

Image credit: A. Hobart, CXC

And all of that immensity is powered by the gravity of that black hole, which, massive as it is, is only about the same size as our solar system. The galaxy you can see in the picture, right at the center of the jets, is hundreds of millions of times larger than the black hole itself.

How’s your head? Throbbing yet? I have one more thing to tell you: Hercules A, while being one of the brightest radio objects in the sky, is actually over two billion light years away!

Describing this is getting difficult. I’m running out of adjectives here.

So maybe I’ll just leave you with this: A century ago, we weren’t sure what galaxies really were. Now we have orbiting telescopes, telescopes equipped with amazingly sensitive detectors, and the ability to see across the electromagnetic spectrum such that we can detect these amazing and powerful objects like Herc A. And even more importantly, we’ve built the knowledge in mathematics and physics so that we can study them and even understand them. And we can do it all from a cozy distance of billions of light years, safe and sound, while the Universe thunders around us.


비디오보기: რა მოხდება გუგოლი წლის შემდეგ? (구월 2022).


코멘트:

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