Koncepcja misji ma na celu zobrazowanie niezwykle cienkiego pierścienia fotonowego wokół czarnych dziur

Pierścień fotonowy to niezwykle wąska, orbitalna struktura światła, które ociera się o czarną dziurę, zanim ucieknie do odległych obserwatorów. Wykrycie i rozdzielenie tego pierścienia zapewniłoby bezpośredni wgląd w geometrię czasoprzestrzeni w pobliżu horyzontu zdarzeń i umożliwiłoby precyzyjne testy ogólnej teorii względności.

Czym jest pierścień fotonowy w prostych słowach

Pierścień fotonowy składa się z promieni świetlnych, które wykonały jedną lub więcej częściowych lub pełnych orbit w pobliżu czarnej dziury przed dotarciem do teleskopu. Jego promień i kształt zależą przede wszystkim od masy czarnej dziury, jej spinu i otaczającej czasoprzestrzeni, a nie od szczegółów emitującego gazu, więc struktura ta koduje wiarygodne informacje o obiekcie zwartym.

Naukowiec, dla którego stało się to misją

Alex Lupsasca, fizyk teoretyczny badający właściwości pierścienia fotonowego, jest aktywnym orędownikiem bezpośredniego obrazowania tego zjawiska. Argumentuje on, że potwierdzenie istnienia pierścienia i wykazanie jego pochodzenia od fotonów orbitalnych stanowiłoby silny dowód na to, że obrazowany obiekt zwarty zachowuje się jak czarna dziura opisana przez ogólną teorię względności. Jest on naukowcem projektu dla proponowanej koncepcji misji, która połączyłaby radioteleskop na orbicie okołoziemskiej z układami naziemnymi w celu uzyskania znacznie większej zdolności rozdzielczej.

Dlaczego istniejące układy nie wystarczają

Naziemna interferometria wielkobazowa (VLBI) łączy anteny radiowe na całym świecie, aby emulować teleskop wielkości planety, i dostarczyła pierwsze obrazy w skali horyzontu zdarzeń. Jednak szerokość pierścienia fotonowego przy odpowiednich milimetrowych i submilimetrowych długościach fal jest znacznie poniżej rozdzielczości kątowej obecnych układów. Pierścień jest zarówno bardzo wąski, jak i niesie mniejszy strumień niż szersza emisja, co czyni go podatnym na małe błędy kalibracji, szum atmosferyczny i rzadkie pokrycie bazami. Rozszerzenie baz w przestrzeń kosmiczną i poprawa próbkowania interferometrycznej funkcji widzialności to najjaśniejsza droga do rozdzielenia tej drobnej struktury.

Od projektu do bazy: Black Hole Explorer

Koncepcja Black Hole Explorer (BHEX) zakłada wyniesienie niewielkiej anteny radiowej na średnią orbitę okołoziemską, aby dołączyła ona do naziemnych układów milimetrowych. Pracując w zakresie od około 100 do 300 gigaherców, pojedynczy satelita zwiększyłby maksymalne długości baz i wypełnił luki w ich pokryciu. To ulepszone próbkowanie w dziedzinie Fouriera zwiększa zdolność rozdzielczą i czułość na słabe oscylacje o wysokiej częstotliwości wytwarzane przez podpierścienie fotonowe. Planerzy misji sugerują początek lat 30. XXI wieku jako termin wystrzelenia i celują w obserwację dwóch najbardziej dostępnych celów: supermasywnej czarnej dziury w galaktyce M87 oraz tej w centrum Drogi Mlecznej.

Jak cienka linia testuje fizykę fundamentalną

Ponieważ geometria pierścienia fotonowego słabo zależy od szczegółów emisji, jego zmierzony promień i kształt można porównać z przewidywaniami dla czarnej dziury Kerra. Odchylenia mogłyby wskazywać na nową fizykę lub nieoczekiwaną strukturę w pobliżu horyzontu. Ostatnie prace teoretyczne wyjaśniły, które mierzalne wielkości — takie jak współczynniki demagnifikacji między podpierścieniami, opóźnienia czasowe i struktura kątowa powiązana ze spinem i nachyleniem — pozwalałyby zdiagnozować odstępstwa od rozwiązania Kerra.

Pomiędzy teorią a praktyką: sygnał, polaryzacja i szum

Nawet przy odpowiednich bazach pozostają kwestie praktyczne. Podobrazy tworzące pierścień fotonowy mogą interferować; polaryzacja może zostać zmniejszona w zależności od geometrii pola magnetycznego; a transfer radiacyjny przez turbulentną plazmę może rozmywać szczegóły. Symulacje łączące ogólno-relatywistyczną magnetohydrodynamikę z transferem radiacyjnym wykazują, że pierścień fotonowy może być stosunkowo depolaryzowany w niektórych reżimach emisji, ale także, że jego widzialność na określonych bazach niesie przewidywalne sygnatury. Te przewidywania modelowe kierują projektowaniem harmonogramów baz i strategii analizy danych w celu wyodrębnienia słabego sygnału pierścienia.

Co oznaczałby sukces

Rozdzielenie pierścienia fotonowego podniosłoby obrazowanie czarnych dziur z poziomu jakościowych zdjęć do precyzyjnych pomiarów. Wykryty pierścień umożliwiłby bardziej bezpośrednie wyznaczenie masy i spinu, ściślejsze testy tego, czy czasoprzestrzeń w pobliżu horyzontu pasuje do metryki Kerra, oraz badania dynamiczne oparte na czasie sygnałów z podpierścieni. Nakładanie sygnatur czasowych mogłoby ujawnić opóźnienia w drodze światła i ruchy w pobliżu orbity fotonowej — pomiary, które badają grawitację w jej najbardziej ekstremalnym reżimie.

Perspektywy długoterminowe

Obrazowanie pierścienia fotonowego jest technicznie wymagające i wymaga trwałych inwestycji w instrumentację, ścisłej koordynacji między zasobami kosmicznymi i naziemnymi oraz ciągłej interakcji między teorią a obserwacją. Niemniej jednak symulacje i teoria interferometrii wyznaczają obecnie konkretne cele, a koncepcje misji wskazują prawdopodobne sposoby budowy niezbędnych baz. Dla zwolenników projektu kampania ta jest logicznym kolejnym krokiem: nie tylko po to, by zobrazować sylwetkę czarnej dziury, ale by odczytać geometryczny odcisk pozostawiony przez światło muskające horyzont.