Hur tas en bild av ett svart hål – och vad är det vi ser?

2022-05-23 11:17  

Nu finns det äntligen bildbevis för att det finns ett svart hål i Vintergatans centrum – men vad visar egentligen bilden?

För fem år sedan riktade Event horizon telescope (EHT) sina många radioteleskop mot två svarta hål, det ena i galaxen Messier 87 och det andra i vår egen galax Vintergatan.

Men vad såg egentligen teleskopen?

Varför dröjde det tills i år innan en bild av Vintergatans mitt publicerades?

Och vad kommer härnäst?

Innan svaren på dessa frågor, lite kort om svarta hål.

Svarta hål är superkompakta objekt

Ett svart hål är ett mycket kompakt område i rymden varifrån ingenting kan fly. Runt ett svart hål finns en händelsehorisont, gränsen mellan hålet och resten av rymden. På grund av den starka gravitationskraften kan ingenting, inte ens ljus, fly det svarta hålet om det hamnar innanför händelsehorisonten. 

Att det finns ett supermassivt objekt i Vintergatans centrum bevisades först av Reinhard Genzel och Andrea Ghez, en upptäckt som år 2020 gav dem varsin fjärdedel av Nobelpriset.

Reinhard Genzel och Andrea Ghez tilldelades Nobelpriset i fysik 2020 för sitt arbete med att visa att Vintergatan roterar kring ett supermassivt objekt. Roger Penrose tilldelades Nobelpriset i fysik 2020 för sina matematiska bevis om svarta hål. Foto: Peter Kneffel/TT, Annette Buhl/Nobel Prize Outreach/TT, Fergus Kennedy/TT

Den andra halvan gick till Roger Penrose för sitt bevis om att svarta hål är en direkt konsekvens av den generella relativitetsteorin. 

Men det dröjde alltså tills i år innan vi fick bildbevis för att galaxens mitt, detta supermassiva objekt, faktiskt utgörs av ett svart hål.

– I dag är Event horizon telescope glada över att dela med sig av den första direkta bilden av ”den vänliga jätten” i mitten av vår galax – Sagittarius A*, sa Feryal Özel, professor i astronomi vid universitetet i Arizona, på en av presskonferenserna som hölls i samband med att EHT presenterade sina nya resultat.

Hur fotograferar man ett svart hål?

EHT är ett globalt samarbete och använder sig av radioteleskop från flera forskningsstationer runt jorden för att göra observationer av objekt långt ute i rymden.

Observationerna görs med hjälp av en teknik som kallas för långbasinterferometri. Interferometri går ut på att länka ihop olika teleskop för att skapa ett nytt, större sådant.

ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) är det känsligaste instrumentet av de som ingår i Event Horizon Telescope. Bilden är ett collage. Foto: ESO/José Francisco Salgado, EHT Collaboration

Genom att slå samman mätningar från åtta radioteleskop fungerar EHT som ett teleskop lika stort som jorden. Ett teleskops upplösning är proportionell mot dess storlek. EHT har en upplösning bättre än 60 mikrobågsekunder, det motsvarar att kunna urskilja en apelsin på månens yta från jorden. 

Vad är det vi ser på bilden?

Eftersom ingenting kan undfly ett svart håls gravitation så är det egentligen inte det svarta hålet vi ser. Det som syns är den varma gas som är i omlopp kring Sagittarius A* precis utanför dess händelsehorisont – varken materia eller ljus som befinner sig på andra sidan om denna gräns kan lämna det svarta hålet och därför kan vi inte fotografera själva det svarta hålet.  

– Bilden visar en ljus ring som omger mörkret. Denna ring utgörs av het gas som virvlar runt det svarta hålet. Ljus som är tillräckligt nära det svarta hålet för att sväljas av det korsar så småningom dess horisont och lämnar efter sig det mörka tomrummet i mitten, sa Feryal Özel. 

När gjordes observationerna?

Observationerna gjordes redan 2017 då teleskopen under fem nätter samlade in data från både Sagittarius A* och det svarta hålet i mitten av galaxen Messier 87 – M87*.

Sagittarius A* befinner sig runt 26 000 ljusår bort och väger som fyra miljoner solar. Men trots att M87* är betydligt större ser bilderna lika ut. 

– Det svarta hålet i Messier 87 är 1 500 gånger mer massivt, vilket gör dess händelsehorisont 1 500 gånger större. Men det är också 2 000 gånger längre bort från oss vilket gör att dessa två bilder ser väldigt lika ut, sa Feryal Özel.  

Varför har det dröjt så länge innan bilden har publicerats?

Bilden av M87* i galaxen Messier 87 presenterades redan 2019. Anledningen till att bilden på vårt eget svarta hål har dröjt beror på att Sagittarius A* är betydligt mer dynamiskt och varierande än M87*.

Runt de båda svarta hålen rör sig gas i hastigheter nära ljusets hastighet. Men medan det tar dagar eller veckor för gasen att cirkulera M87* tar sig gasen vid det mindre svarta hålet Sagittarius A* runt på enstaka minuter. 

Jämförelse mellan de två svarta hålen M87* och Sagittarius A*. Foto: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)

Då den snabbt kretsande gasen skapar fluktuationer i ljusstyrka och mönster fick EHT fram tusentals bilder på Vintergatans mittpunkt – i stället för bara en – under sina observationer. Flera år av bearbetning har nu lett fram till bilden på Sagittarius A* som är ett genomsnitt av de mängder av bilder som teleskopet tagit.

Bilden bekräftar nu en gång för alla att det faktiskt är ett svart hål som vår galax cirkulerar kring.

Minns ni forskaren Katie Bouman? Hon blev viral när den första bilden på ett svart hål presenterades, då hon delade en bild på sig själv när hon satt vid skärmen och såg hur datorn skapade bilden, med hjälp av den algoritm som hon hade varit med och tagit fram.

Katie Bouman är i dag biträdande professor vid Caltech och arbetar med bildbehandling. I den här videon berättar hon hur den nya bilden på ett svart hål har tagits fram.

Vad kan vi lära oss av bilden?

Genom att jämföra EHT:s insamlade data med simuleringar gjorda med hjälp av superdatorer har forskarna dragit slutsatsen att det svarta hålet antagligen roterar moturs kring en axel som nästan pekar rakt mot jorden. 

Ytterligare data har samlats in sedan 2017, och EHT fortsätter sitt globala samarbete för att vi ska lära oss mer om Sagittarius A*. Bland annat vill forskarna ta reda på om det svarta hålet har, eller har haft, jetstrålar. Många svarta hål, till exempel M87*, har två strålar av materia som skjuts ut åt motsatta håll från dess yta. 

Jetstrålar skulle kunna uppstå av en intensiv uppvärmning av den gas som faller in mot de svarta hålen. Sagittarius A* kan ha haft jetstrålar tidigare, något som moln av materia både över och under Vintergatans centrum pekar på. I dag är jetstrålarna - om de överhuvudtaget finns kvar - antagligen svagare. 

Utöver att lära oss mer om Sagittarius A* så bekräftar den nya bilden att det tidigare avbildningen av M87* inte bara var en ren slump. 

– Nu vet vi att det inte var en tillfällighet; det var inte bara någon aspekt av miljön som råkade se ut som ringen vi förväntade oss att se. I båda fallen är det vi ser hjärtat av det svarta hålet, sa Feryal Özel. 

Fakta: Vad är ett svart hål?

Ett svart hål är ett mycket kompakt område i rymden varifrån ingenting kan fly. Det som en gång har hamnat innanför ett svart håls händelsehorisont, vare sig det handlar om ljus eller materia, kan aldrig lämna regionen igen. 

Det finns olika sorters svarta hål.

Den stellära sorten bildas av vissa stjärnor som, när de dör, snabbt kollapsar inåt på grund av ett stort gravitationstryck.

Den döende stjärnan exploderar då i en supernova, en väldigt kraftfull explosion som skjuter i väg stjärnans yttre materia. Den döende stjärnan fortsätter sedan att kollapsa tills den blir en singularitet, ett svart hål. 

En annan typ är primordiala svarta hål, en hypotetisk form av svarta hål. De primordiala svarta hålen tros ha kunnat uppstå kort efter Big Bang när materien i universum var väldigt tätt packad jämfört med i dag. 

 

 

Bill Burrau

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer