Astronomía

¿Podemos discernir agujeros negros con luz visible?

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Perdón por mis tontos términos. Me interesa la astronomía, pero casi no tengo antecedentes.

Dado que un agujero negro absorbe todo, incluida la luz, ¿podríamos alguna vez discernir uno con luz visible (y vivir para transmitir la información)?

Esta pregunta contiene una imagen generada de un agujero negro y la imagen de Google muestra representaciones visuales que se ven similares (círculo negro en el centro, luz distorsionada a su alrededor y cuanto más nos alejamos del centro, el fondo está cada vez menos distorsionado), pero ¿son realmente representativos? ¿Existe realmente un punto negro en nuestro campo de visión en el lugar donde está el agujero negro? Tanto la respuesta a la pregunta como esta página descartan imágenes como "fantasía", pero en realidad no responden a las preguntas que estoy haciendo, que son:

  1. ¿Alguna vez seremos capaces de discernir un agujero negro con luz visible y vivir?
  2. Si podemos, ¿cuál es una descripción actualmente aceptable de lo que veremos con luz visible? No espero especialmente una imagen, por lo que una descripción textual también es buena, pero tenga en cuenta que se trata de la luz visible. Otras preguntas sobre Astronomía SE explican qué podemos "detectar" utilizando ondas de radio u otros medios de observación.
  3. En 2014-2015, el CERN dijo que podrían estar creando micropscópicos de corta duración (10-27 segundos) agujeros negros con el LHC (y esto conduce a un miedo sin sentido global de que destruiría el planeta). ¿Crearon alguno? En caso afirmativo, ¿hubo alguna oportunidad de imaginarlos a pesar de su pequeño tamaño y corta vida?

Hay dos formas "habituales" de detectar un agujero negro:

Si es parte de un sistema binario (dos estrellas que giran estrechamente una alrededor de la otra) y arrastran materia de la otra estrella a un disco de acreción, ese disco se calentará. La distribución de energía nos dirá si el objeto de acreción es en realidad un agujero negro o una estrella de neutrones. Esto es principalmente visible en rayos X, por lo que no es una respuesta a su pregunta.

Si el agujero negro tiene una masa de 100.000 a millones de veces la del sol (agujero negro supermasivo), se asentará en el centro de una galaxia y, a veces, acumulará materia. Esto es principalmente visible en radio y nuevamente en rayos X. Todavía no es una respuesta.

Entonces, ¿cómo podemos detectar un agujero negro en la óptica? La mejor oportunidad es una detección indirecta, como en las imágenes que vinculó arriba. El que tiene las estrellas distorsionadas de fondo no es "solo una fantasía", sino una simulación basada en nuestra comprensión de la gravedad. El problema cuando tratamos de ver esto es la escala y, por lo tanto, la resolución. El horizonte de sucesos de un agujero negro de masa estelar es del orden de unos pocos kilómetros.

Reemplacemos nuestro sol por un agujero negro. A una distancia de $ 1.5 cdot10 ^ 8 $ km, con un diámetro de agujero negro de 6 km, lo veríamos ocupando un ángulo de begin {ecuación} alpha = tan { left ( frac {6} {1.5 cdot10 ^ 8} right)} = frac {6} {1.5 cdot10 ^ 8} = 2.3 ^ { circ} cdot10 ^ {- 6} = 8 ".3 cdot 10 ^ {- 3} ,. end {ecuación} Entonces, un agujero negro de masa solar en la posición del Sol tendría un tamaño de 8 milisegundos de arco (mas). Un solo telescopio de 8 m en el VLT tiene una resolución de 50mas. Si consideramos que la gravedad El efecto de lente tiene lugar en escalas más grandes que el radio de Schwarzschild, podría simplemente lograr ver este efecto (el límite de resolución teórico para un telescopio de 8 m a una longitud de onda de 500 nm es $ 1.22 lambda / d = 15 $ mas).

Para agujeros negros reales a distancias de 10 o 100 años luz, necesitaría un telescopio verdaderamente gigantesco.

Siguiente opción, nuevamente con lentes gravitacionales: el efecto de microlente hace que una estrella de fondo se amplíe temporalmente: brilla más durante un corto período de tiempo. Un agujero negro que pasa en primer plano puede causar esto, y es una observación óptica, pero es muy difícil saber que la lente era de hecho un agujero negro y no una estrella u otro objeto compacto.

Última opción, radiación de Hawking: Hawking postuló que los agujeros negros podrían emitir radiación inversamente proporcional a su tamaño. Para los agujeros negros lo suficientemente pequeños, este es un proceso descontrolado: emiten más a medida que se hacen más pequeños, y debido a que la emisión hace que se reduzcan, emiten aún más. Dado que la radiación de Hawking tiene un espectro de cuerpo negro, el máximo de esta emisión estará en el rango visible durante un breve período de tiempo antes de pasar a la radiación ultravioleta, de rayos X y gamma. El problema aquí es que nadie lo ha observado todavía, y necesitaría un agujero negro bastante pequeño (pero no demasiado pequeño) cerca. Además, podría morir a medida que la radiación se vuelve más intensa.

A tus preguntas:

  1. Posible, pero probablemente no. Tendrías que acercarte mucho, pero no lo suficiente para que las fuerzas de la marea te maten. O necesitaría poder identificar una microlente como un agujero negro por otros medios que no sean lentes.
  2. O efectos de lente (ver arriba), o un breve destello que va de rojo a azul (probablemente demasiado corto para observar).
  3. Estos agujeros negros serían principalmente visibles por la ausencia de otras partículas. Obtendría menos partículas elementales de las que esperaría para la reacción, faltaría algo de energía y algo de impulso, y habría una radiación gamma característica. Sin embargo, para que el CERN anunciara esto, esto tendría que haber sucedido con la suficiente frecuencia como para no ser una casualidad estadística (después de todo, esto resultó no ser una detección).

¿Qué es un agujero negro?

Fascinantes e incomprendidos, los agujeros negros son regiones en el espacio con una gravedad superficial tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar. Su límite se llama horizonte de eventos y se considera el punto de no retorno.

Una vez que la materia llegue al horizonte de sucesos, será absorbida por la singularidad del agujero negro, que, según teorizan los científicos, es un punto infinitamente pequeño y denso donde las leyes de la física ya no se aplican. Los agujeros negros no son visibles, por lo que los científicos solo pueden discernir su presencia por cómo se ve afectada la materia circundante.


Radioastronomía y agujeros negros

Los astrónomos han capturado la primera directo evidencia visual de un agujero negro Agujero negro Un objeto, típicamente una estrella colapsada, cuya gravedad es tan fuerte que su velocidad de escape excede la velocidad de la luz. : una imagen del agujero negro supermasivo Agujero negro supermasivo Un agujero negro que tiene un millón o hasta mil millones de masas solares. Estos grandes agujeros negros acechan en los centros de la mayoría de las galaxias. en el centro de Messier 87 (M87), una galaxia elíptica gigante Galaxia elíptica Una galaxia que parece redonda o de forma elíptica, por lo general contiene poco gas y polvo, sin brazos o discos espirales, en su mayoría estrellas más viejas, que varían en forma de esférica a en forma de "fútbol" y pocas estrellas calientes y brillantes. 55 millones de años luz. Años luz La distancia que recorre la luz en un año en el vacío. Un año luz equivale a unos seis billones de millas. de la tierra. Esta observación sin precedentes fue posible gracias al Event Horizon Telescope (EHT), un conjunto de ocho radiotelescopios individuales repartidos en cuatro continentes y unidos entre sí para formar un nuevo telescopio excepcionalmente poderoso. La imagen recién publicada revela una estructura brillante en forma de anillo con una región central oscura, una característica conocida como la "sombra" de un agujero negro.

Como el elemento más sensible y más grande del EHT, Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) Financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y sus socios internacionales (NRAO / ESO / NAOJ), ALMA se encuentra entre los observatorios astronómicos más complejos y poderosos de la Tierra o del espacio. El telescopio es un conjunto de 66 antenas parabólicas de alta precisión en el norte de Chile. en Chile fue fundamental para hacer posible esta observación. Con ALMA, el EHT logró una de las resoluciones más altas en astronomía, 20 microarcsegundos. Un microarcsegundos es aproximadamente el tamaño del período al final de esta oración si estuviera mirando desde la Luna. Estas observaciones ayudarán a los científicos a comprender cómo se comporta el universo en condiciones de extrema gravedad, fuerzas tan fuertes que deforman el tejido del espacio y el tiempo. Este es solo el último paso de un viaje que comenzó hace casi 50 años con el Interferómetro Green Bank del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO): el primer telescopio para identificar y ubicar el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. El EHT es una versión turbo de ese telescopio pionero.

La historia completa de EHT, incluidos los antecedentes sobre los agujeros negros y los materiales de apoyo, se puede encontrar en la sección especial de la National Science Foundation & # 8217: & # 8220Explorando agujeros negros. & # 8221

Kazunori Akiyama
El becario NRAO Jansky en el Observatorio Haystack del MIT que desarrolló nuevas técnicas de imágenes para el EHT y dirigió los esfuerzos internacionales para crear las primeras imágenes del agujero negro supermasivo en M87 como coordinador del grupo de imágenes.
617-715-5579 [email protected]

Charles E. Blue
Oficial de información pública
Observatorio Nacional de Radioastronomía
434-296-0314 [email protected]

Sala de prensa de EHT: Búsqueda de la sombra de un agujero negro

Los astrónomos capturan la primera imagen de un agujero negro

Crédito de la imagen: Colaboración EHT

El Event Horizon Telescope (EHT), una matriz a escala planetaria de ocho radiotelescopios terrestres forjados a través de la colaboración internacional, fue diseñado para capturar imágenes de un agujero negro. Hoy, en conferencias de prensa coordinadas en todo el mundo, los investigadores de EHT revelan que han tenido éxito, revelando la primera evidencia visual directa de un agujero negro supermasivo y su sombra.

Este avance fue anunciado hoy en una serie de seis artículos publicados en un número especial de La Cartas de revistas astrofísicas. La imagen revela el agujero negro en el centro de Messier 87, una galaxia masiva en el cercano cúmulo de galaxias Virgo. Este agujero negro reside a 55 millones de años luz de la Tierra y tiene una masa 6,5 ​​mil millones de veces la del Sol.

El EHT conecta telescopios de todo el mundo para formar un telescopio virtual del tamaño de la Tierra con una sensibilidad y resolución sin precedentes. El EHT es el resultado de años de colaboración internacional y ofrece a los científicos una nueva forma de estudiar los objetos más extremos del Universo predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein durante el año del centenario del experimento histórico que confirmó por primera vez la teoría.

& # 8220 Hemos tomado la primera foto de un agujero negro, & # 8221 dijo el director del proyecto EHT Sheperd S. Doeleman del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. & # 8220Esta es una hazaña científica extraordinaria lograda por un equipo de más de 200 investigadores.

Los agujeros negros son objetos cósmicos extraordinarios con masas enormes pero tamaños extremadamente compactos. La presencia de estos objetos afecta su entorno de manera extrema, deformando el espacio-tiempo y sobrecalentando cualquier material circundante.

& # 8220Si estamos inmersos en una región brillante, como un disco de gas brillante, esperamos que un agujero negro cree una región oscura similar a una sombra, algo predicho por la relatividad general de Einstein que nunca antes habíamos visto,& # 8221 explicó el presidente del Consejo Científico de EHT Heino Falcke de la Universidad de Radboud, Holanda. & # 8220Esta sombra, causada por la curvatura gravitacional y la captura de luz por el horizonte de sucesos, revela mucho sobre la naturaleza de estos fascinantes objetos y nos permitió medir la enorme masa del agujero negro de M87. & # 8221

Múltiples métodos de calibración e imágenes han revelado una estructura en forma de anillo con una región central oscura, la sombra del agujero negro, que persistió durante múltiples observaciones EHT independientes.

Una vez que estuvimos seguros de haber captado la imagen de la sombra, pudimos comparar nuestras observaciones con extensos modelos de computadora que incluyen la física del espacio deformado, materia sobrecalentada y campos magnéticos fuertes. Muchas de las características de la imagen observada coinciden sorprendentemente bien con nuestra comprensión teórica, & # 8221 comentarios Paul T.P. Ho, Miembro de la Junta de EHT y Director del Observatorio de Asia Oriental [5]. & # 8220 Esto nos da confianza sobre la interpretación de nuestras observaciones, incluida nuestra estimación de la masa del agujero negro. & # 8221

La creación del EHT fue un desafío formidable que requirió actualizar y conectar una red mundial de ocho telescopios preexistentes desplegados en una variedad de desafiantes sitios a gran altitud. Estos lugares incluyeron volcanes en Hawai`i y México, montañas en Arizona y la Sierra Nevada española, el desierto chileno de Atacama y la Antártida.

Las observaciones de EHT utilizan una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI) que sincroniza las instalaciones de los telescopios en todo el mundo y explota la rotación de nuestro planeta para formar un enorme telescopio del tamaño de la Tierra que observa a una longitud de onda de 1,3 mm. VLBI permite que el EHT logre una resolución angular de 20 microsegundos de arco, suficiente para leer un periódico en Nueva York desde un café en la acera de París.

Los telescopios que contribuyeron a este resultado fueron ALMA, APEX, el telescopio IRAM de 30 metros, el telescopio James Clerk Maxwell, el gran telescopio milimétrico Alfonso Serrano, el submilimétrico Array, el submilimétrico y el polo sur [7]. Se combinaron petabytes de datos brutos de los telescopios mediante supercomputadoras altamente especializadas alojadas por el Instituto Max Planck de Radioastronomía y el Observatorio Haystack del MIT.

La construcción del EHT y las observaciones anunciadas hoy representan la culminación de décadas de trabajo observacional, técnico y teórico. Este ejemplo de trabajo en equipo global requirió una estrecha colaboración por parte de investigadores de todo el mundo. Trece instituciones asociadas trabajaron juntas para crear el EHT, utilizando tanto la infraestructura preexistente como el apoyo de una variedad de agencias. Los fondos clave fueron proporcionados por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), el Consejo Europeo de Investigación (ERC) de la UE y las agencias de financiamiento en Asia Oriental.

& # 8220 Hemos logrado algo que se presume imposible hace solo una generación, & # 8221 concluido Doeleman. & # 8220 Los avances en tecnología, las conexiones entre los mejores observatorios de radio del mundo # 8217 y los algoritmos innovadores se unieron para abrir una ventana completamente nueva sobre los agujeros negros y el horizonte de eventos. & # 8221

"Cuando la NSF estableció la NRAO en 1956, sentó las bases para décadas de descubrimiento", dijo el astrofísico Joe Pesce, que supervisa la financiación de la NSF de la NRAO. "Hoy, los frutos de esa inversión son particularmente evidentes en un logro verdaderamente notable de la astronomía observacional".

“A través de su liderazgo en ALMA y su apoyo a largo plazo para el EHT, NRAO ha ayudado una vez más a mejorar nuestra comprensión del cosmos y las leyes fundamentales de la física. Esta observación ilustra claramente el valor de la radioastronomía para el avance científico. La próxima generación de radiotelescopios, incluido el VLA de próxima generación, producirá muchos más resultados innovadores ”, dijo Tony Beasley, director de NRAO.

[1] La sombra de un agujero negro es lo más cercano que podemos llegar a una imagen del propio agujero negro, un objeto completamente oscuro del que la luz no puede escapar. El límite del agujero negro, el horizonte de eventos del que toma su nombre el EHT, es aproximadamente 2,5 veces más pequeño que la sombra que proyecta y mide poco menos de 40 mil millones de kilómetros de ancho.

[2] Los agujeros negros supermasivos son objetos astronómicos relativamente pequeños, lo que los ha hecho imposibles de observar directamente hasta ahora. Como el tamaño de un agujero negro es proporcional a su masa, cuanto más masivo es un agujero negro, mayor es la sombra. Gracias a su enorme masa y relativa proximidad, se predijo que el agujero negro de M87 sería uno de los más grandes visibles desde la Tierra, lo que lo convertía en un objetivo perfecto para el EHT.

[3] Aunque los telescopios no están conectados físicamente, pueden sincronizar sus datos registrados con relojes atómicos (máseres de hidrógeno) que cronometran con precisión sus observaciones. Estas observaciones se recopilaron a una longitud de onda de 1,3 mm durante una campaña global de 2017. Cada telescopio del EHT produjo enormes cantidades de datos, aproximadamente 350 terabytes por día, que se almacenaron en discos duros llenos de helio de alto rendimiento. Estos datos se enviaron a supercomputadoras altamente especializadas, conocidas como correlacionadores, en el Instituto Max Planck de Radioastronomía y el Observatorio MIT Haystack para ser combinados. Luego se convirtieron minuciosamente en una imagen utilizando novedosas herramientas computacionales desarrolladas por la colaboración.

[4] Hace 100 años, dos expediciones partieron hacia la isla de Príncipe frente a la costa de África y Sobral en Brasil para observar el eclipse solar de 1919, con el objetivo de probar la relatividad general al ver si la luz de las estrellas se doblaba alrededor de la rama del sol. como predijo Einstein. En un eco de esas observaciones, el EHT ha enviado miembros del equipo a algunas de las instalaciones de radio más altas y aisladas del mundo para probar una vez más nuestra comprensión de la gravedad.

[5] El socio del Observatorio de Asia Oriental (EAO) en el proyecto EHT representa la participación de muchas regiones de Asia, incluidas China, Japón, Corea, Taiwán, Vietnam, Tailandia, Malasia, India e Indonesia.

[6] Las futuras observaciones de EHT verán una sensibilidad sustancialmente mayor con la participación del Observatorio IRAM NOEMA, el Telescopio de Groenlandia y el Telescopio Kitt Peak.

[7] ALMA es una asociación del Observatorio Europeo Austral (ESO Europa, en representación de sus estados miembros), la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón, junto con el Consejo Nacional de Investigación (Canadá). , el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MOST Taiwán), el Instituto Academia Sínica de Astronomía y Astrofísica (ASIAA Taiwán) y el Instituto de Astronomía y Ciencia Espacial de Corea (KASI República de Corea), en cooperación con la República de Chile. APEX es operado por ESO, el telescopio IRAM de 30 metros es operado por IRAM (las organizaciones asociadas de IRAM son MPG (Alemania), CNRS (Francia) e IGN (España)), el telescopio James Clerk Maxwell es operado por la EAO, el El Telescopio Milimétrico Grande Alfonso Serrano es operado por INAOE y UMass, el Array Submilimétrico es operado por SAO y ASIAA y el Telescopio Submilimétrico es operado por el Radio Observatorio de Arizona (ARO). El South Pole Telescope es operado por la Universidad de Chicago con instrumentación EHT especializada proporcionada por la Universidad de Arizona.

Más información

Esta investigación fue presentada en una serie de seis artículos publicados hoy en un número especial de Las cartas de la revista astrofísica.

La colaboración de EHT involucra a más de 200 investigadores de África, Asia, Europa, América del Norte y del Sur. La colaboración internacional está trabajando para capturar las imágenes de agujeros negros más detalladas de la historia mediante la creación de un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Con el respaldo de una inversión internacional considerable, el EHT conecta los telescopios existentes utilizando sistemas novedosos, creando un instrumento fundamentalmente nuevo con el mayor poder de resolución angular que se haya logrado hasta ahora.

Los telescopios individuales involucrados son ALMA, APEX, el Telescopio IRAM de 30 metros, el Observatorio IRAM NOEMA, el Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (LMT), el Array Submilimétrico (SMA), el Telescopio Submilimétrico. (SMT), el South Pole Telescope (SPT), el Kitt Peak Telescope y el Greenland Telescope (GLT).

El horizonte de sucesos de un agujero negro: un "gran desafío" de la astronomía

En el borde del espacio observable donde la gravedad se vuelve tan fuerte que literalmente retuerce la estructura del universo, la ciencia predice algunos fenómenos aparentemente imposibles: la deformación de la luz, la distorsión del tiempo y el espacio, y un punto sin retorno donde la materia y la energía. están perdidos para siempre.

Este es el llamado "horizonte de eventos" de un agujero negro. Cuando está rodeado por un disco caliente de gas y polvo, el horizonte de sucesos debería hacerse visible, apareciendo como una sombra oscura sobre un fondo brillante. El objetivo del EHT era obtener imágenes de esta característica y estudiar su notable comportamiento.

Los astrónomos prácticamente han probado la existencia de agujeros negros supermasivos, aunque de forma indirecta. Las imágenes de potentes chorros de radio que salen disparados de los núcleos galácticos y los estudios en curso de las estrellas que se mueven a toda velocidad alrededor del centro de la Vía Láctea anuncian claramente la presencia de un agujero negro supermasivo. Pero la teoría general de Einstein de relativamente nos dice que hay evidencia más concreta, si tan solo pudiéramos ver la influencia gravitacional directa del agujero negro en la estructura cercana del espacio-tiempo.

Aunque masivo más allá de la comprensión, el agujero negro central de una galaxia es tan compacto que su gravedad domina solo una región relativamente pequeña cerca del centro de la galaxia. Hasta ahora, el tamaño relativamente pequeño de un agujero negro # 8217 ha frustrado las observaciones de cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, incluso con los telescopios más avanzados. Además del desafío, la mayoría de los agujeros negros supermasivos están incrustados profundamente en regiones gruesas de polvo y gas, que los ocultan completamente de la vista de los telescopios ópticos. El Event Horizon Telescope, a veces llamado "La aplicación asesina de la astronomía", ha superado ambos desafíos.

Crédito de la imagen: NRAO / AUI / NSF D. Berry

Interferómetros: telescopios hechos principalmente de nada

Los radiotelescopios como el EHT pueden estudiar el universo de formas que están más allá del alcance de los telescopios ópticos. Los radiotelescopios pueden ver la luz que emiten naturalmente las moléculas y el polvo frío. La luz de radio, que tiene longitudes de onda más largas que la luz visible, puede atravesar el polvo y el gas interestelares, revelando detalles en los centros de las galaxias.

Sin embargo, las longitudes de onda de luz más largas plantean desafíos adicionales para los observadores en la Tierra. Para ver objetos en longitudes de onda de radio, los astrónomos requieren telescopios mucho más grandes que los necesarios para observaciones similares de luz visible. Por ejemplo, para ver con la misma claridad que el telescopio espacial Hubble de 2,4 metros, las observaciones de radio en una longitud de onda relativamente corta de 1 centímetro necesitarían un plato de 20 kilómetros de diámetro. Sería casi imposible construir un telescopio de este tipo, pero los astrónomos han encontrado una forma de evitar esta limitación, logrando una resolución mucho más allá de la del Hubble: interferometría de radio.

La interferometría es un principio básico en física y una herramienta poderosa en astronomía. Con él, los científicos pueden vincular uno o más pares de antenas de radio, incluso a miles de kilómetros de distancia, para crear un telescopio “virtual” nuevo y mucho más poderoso.

Imagínese trazar una línea entre un par de antenas que los astrónomos llaman a esto una "línea de base". Cuanto más larga sea la línea de base, mayor será la apertura del telescopio virtual. Cuanto mayor sea la apertura, mayor será su resolución.

La alta resolución es posible gracias a la capacidad de las ondas de luz para superponerse y fusionarse entre sí, creando un patrón de interferencia distintivo similar a una onda.

Los patrones de interferencia son fáciles de ver. Todo lo que necesita es una fuente de luz, una habitación oscura y una barrera con dos aberturas o rendijas distintas. Después de que la luz pasa a través de las rendijas, se superpone y se combina para crear bandas alternas de luz y oscuridad.

En el caso de un radiointerferómetro, las dos antenas actúan como rendijas, capturando ondas de luz de radio de la misma fuente cósmica. Si las antenas están demasiado separadas para conectarse con un alambre o cable (uno en Hawai y otro en el Caribe, para usar un ejemplo del mundo real), los astrónomos registran y sellan con precisión las señales de cada antena. A continuación, estas grabaciones se reúnen y combinan utilizando potentes ordenadores. Luego, los astrónomos pueden usar una herramienta matemática llamada transformada de Fourier para reconstruir una imagen de un objeto cósmico como se vería en la luz de radio.

Crédito de la imagen: NRAO / AUI / NSF S. Dagnello

Un par, dos pares, cualquier par a muchos pares

Sin embargo, un solo par de antenas no es una herramienta de imagen eficaz. Se necesitan más pares de antenas enlazadas, conocidas como una matriz, para formar una imagen más clara.

En una matriz, cada antena forma una línea de base con cada una de las otras antenas. Por ejemplo, los 27 platos del Very Large Array de la National Science Foundation crean 351 líneas de base. (Agregar solo una antena más aumentaría el número de líneas de base a 378).

Sin embargo, convertir esta imagen de muchas líneas de base en una imagen verdaderamente precisa requiere un ingrediente más: tiempo. Al igual que una exposición de lapso de tiempo, los radiotelescopios requieren tiempo para crear una imagen de fuentes muy tenues. El tiempo también permite que la Tierra gire, de manera efectiva & # 8220 llenando los huecos & # 8221 para producir una imagen más completa, un proceso que los astrónomos denominan "síntesis de apertura".

Las matrices como VLA y ALMA utilizan cable de fibra óptica para transmitir grandes cantidades de datos desde sus antenas. Esa tecnología permite líneas de base de decenas de kilómetros de largo. A estas distancias y dependiendo de la frecuencia, el VLA puede alcanzar una resolución de 0.04 segundos de arco, que es tan nítida como el Telescopio Espacial Hubble.

Sin embargo, la interferometría no tiene por qué detenerse allí. Son posibles líneas de base muy largas, de cientos a miles de kilómetros, incluso cuando las conexiones de fibra óptica no son prácticas. En estos casos, los astrónomos registran las señales y codifican los datos utilizando relojes atómicos precisos. Luego, los datos se envían a una ubicación central donde las señales se pueden combinar, onda por onda, mediante computadoras de propósito especial llamadas correlacionadores. Siempre que las señales se reciban en buen estado en todos los sitios y estén debidamente codificadas en el tiempo, son posibles resoluciones extremas como las logradas por el EHT. Esto es, en principio, muy simple, pero abrumador en la vida real.

Cada antena debe observar el mismo objeto exactamente al mismo tiempo y con la misma frecuencia exacta. Además, cada sitio debe tener condiciones climáticas adecuadas para observaciones claras. Incluso entonces, el objetivo de las observaciones puede no ser visible o solo visible para una parte de los sitios EHT.

Crédito de la imagen: NRAO / AUI / NSF J. Hellerman

Agujero negro en el centro de la Vía Láctea lanza radioastronomía

La radioastronomía comenzó a principios de la década de 1930 cuando se le pidió a un joven ingeniero llamado Karl Jansky que investigara las fuentes de interferencia que podrían obstaculizar las comunicaciones de radio transatlánticas de onda corta. Usando una antena direccional simple, Jansky descubrió una fuente inesperada de estática proveniente de la constelación de Sagitario, que está en la dirección general del centro de la Vía Láctea. Este descubrimiento fue ampliamente publicitado, apareciendo en el New York Times en 1933. Aunque fue una curiosidad, pocas personas en ese momento lo pensaron mucho y nadie reconoció que esta extraña señal provenía de un agujero negro supermasivo.

Con los avances en la tecnología de radio desarrollados durante la Segunda Guerra Mundial, los astrónomos comenzaron a adquirir la sensibilidad y la resolución necesarias para retomar el punto donde lo dejó Jansky y explorar el cosmos en longitudes de onda de radio. El primero fue el astrónomo aficionado y radioaficionado Grote Reber.

En 1959, el Observatorio Nacional de Radioastronomía en Green Bank, Virginia Occidental, ya estaba llevando a cabo ciencia pionera con un radiotelescopio de 85 pies de diámetro llamado Telescopio Tatel. En 1964, el personal científico construyó un telescopio gemelo de 85 pies & # 8212 ingeniosamente llamado 85-2. Estas dos antenas podrían estar vinculadas, combinando la señal de una con la señal de la otra para crear el primer interferómetro en los Estados Unidos. A diferencia de los interferómetros modernos que utilizaban señales digitalizadas, el experimento de Green Bank utilizó un tubo revestido de cobre para transmitir directamente las señales analógicas de las antenas. Al acercar o alejar a 85-2, los astrónomos podrían cambiar la línea de base del par, alterando su resolución.

En 1966 se agregó un tercer plato de 85 pies, junto con una antena portátil de 45 pies que estaba ubicada a distancias de hasta 35 kilómetros de distancia y estaba conectada a los otros tres elementos mediante un enlace de radio. Este interferómetro de Green Bank se convirtió en el banco de pruebas de lo que eventualmente se convertiría en el icónico Very Large Array en Nuevo México.

Sin embargo, el Interferómetro de Green Bank (GBI) no fue únicamente un banco de pruebas de VLA. Era un interferómetro de última generación en pleno funcionamiento por sí solo. Más notablemente, a mediados de febrero de 1974, el GBI descubrió una fuente intensa y puntual de ondas de radio provenientes del corazón de nuestra Vía Láctea, la fuente de radio Sagitario A *. Era un objeto increíblemente compacto y pronto se determinó que era un agujero negro supermasivo.

El GBI continuó con las observaciones científicas hasta 1978. Entre sus muchos resultados estaba la primera medición de radio que confirmó, con gran precisión, la predicción de Einstein de la curvatura de la luz (es decir, cualquier radiación electromagnética) cerca de un cuerpo masivo, comúnmente llamados anillos de Einstein o lentes gravitacionales.

Con el VLA, el Very Long Baseline Array y ALMA, los astrónomos han aprovechado el potencial de la interferometría, produciendo nueva ciencia tanto de forma independiente como en colaboración con otros telescopios tanto en la Tierra como en el espacio.

VLBI: El tiempo es clave

Las ondas de radio de objetos celestes distantes llegan a diferentes puntos de la Tierra en diferentes momentos. Para que VLBI funcione, estas ondas deben coincidir onda por onda en todas y cada una de las estaciones. Para lograr esto, el EHT utiliza relojes atómicos ultraprecisos, que marcan la hora de los datos.

Más tarde, los datos se envían a través de discos duros a una ubicación centralizada donde los astrónomos combinan las señales utilizando una supercomputadora conocida como correlador. Correlator Una supercomputadora especializada que multiplica los datos de dos antenas y promedia el resultado a lo largo del tiempo. Esencialmente, el correlacionador solo selecciona los datos que son detectados y analizados por ambas antenas, lo que significa que los datos que no son detectados por ambas se descartan. para crear efectivamente un telescopio del tamaño de la Tierra y producir imágenes de alta resolución.

Este gráfico ilustra cómo la luz de radio de objetos cósmicos distantes llega a las diversas estaciones EHT en diferentes momentos.

Crédito de la imagen: NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

VLA muestra el poder del agujero negro supermasivo en M87

Mucho antes del EHT, los telescopios NRAO estudiaron el agujero negro en el corazón de M87.

En 1999, investigadores que utilizaron el radiotelescopio Very Large Array (VLA) de la National Science Foundation obtuvieron imágenes de una "estructura espectacular y compleja" de la galaxia M87, que alberga en su núcleo un agujero negro supermasivo que arroja chorros de partículas subatómicas a casi la velocidad de la luz. y también es la galaxia central del cúmulo de galaxias Virgo.

La imagen del VLA es la primera en mostrar detalles de una estructura más grande que originalmente fue detectada por radioastrónomos hace más de medio siglo. Las observaciones muestran dos grandes lóbulos en forma de burbuja, de más de 200.000 años luz de diámetro, que emiten ondas de radio. Estos lóbulos, que están intrincadamente detallados, aparentemente funcionan con energía gravitacional liberada por el agujero negro en el centro de la galaxia.

M87, descubierto por el astrónomo francés Charles Messier en 1781, es el objeto emisor de radio más fuerte de la constelación de Virgo. Su chorro fue descrito por el astrónomo del Observatorio Lick Heber Curtis en 1918 como "un curioso rayo recto ... aparentemente conectado con el núcleo por una delgada línea de materia". En 1954, Walter Baade informó que la luz del avión está fuertemente polarizada. M87’s X-ray emission was discovered in 1966. M87 is the largest of the thousands of galaxies in the Virgo Cluster. The Local Group of galaxies, of which our own Milky Way is one, is part of the Virgo Cluster’s outskirts.

The galaxy’s radio emissions first were observed by Australian astronomers in 1947, but the radio telescopes of that time were unable to discern much detail. They could, however, show that there is a structure more than 100,000 light-years across.

Subsequent radio images, particularly those made using the sharp radio “vision” of the VLA, were primarily aimed at studying the inner 10,000 light-years or so, and showed great detail in the galaxy’s jet. Astronomers even have followed the motions of concentrations of material within the jet over time. These observations, however, did not show much about the larger structure that was seen by earlier radio astronomers, leaving its details largely a mystery.

The mystery was solved by using the VLA to observe at longer radio wavelengths, thus revealing larger-scale structures.

The VLA Astronomers have captured the first direct visual evidence of a black hole Black Hole An object – typically a collapsed star – whose gravity is so strong that its escape velocity exceeds the speed of light. : an image of the supermassive black hole Supermassive Black Hole A black hole that has a million or as much as a billion solar masses. These large black holes lurk at the centers of most galaxies. at the center of Messier 87 (M87), a giant elliptical galaxy Elliptical Galaxy A galaxy that appears round or elliptical in shape, typically containing little gas and dust, no spiral arms or disk, mostly older stars, which range in shape from spherical to "football" shaped, and few hot, bright stars. 53 million light-years Light-years The distance that light travels in one year in a vacuum. One light year is equivalent to about six trillion miles. de la tierra. This unprecedented observation was made possible by the Event Horizon Telescope (EHT), an array of eight individual radio telescopes spread over four continents and linked together to form a new, exceptionally powerful telescope.

NSF's VLBA: Essential to Studies of Supermassive Black Holes

Additional important discoveries include:

VLBA Observations Reveal Tremendous Mass Concentration
at the Heart of Strange Galaxy: While astronomers had long suspected that supermassive black holes, millions or billions of times more massive than our Sun, lurked at the cores of powerful radio galaxies, the National Science Foundation’s Very Long Baseline Array (VLBA) Very Long Baseline Array (VLBA) An array of 10, 25 meter radio telescopes that stretches 8000km (5,000 miles) across North America. has provided some of the most compelling quantitative evidence that this is indeed the case. An international team of researchers announced this conclusion in a paper published in the scientific journal Naturaleza in 1995.

VLBA Reveals Cosmic Jet Formation: Astronomers have gained their first glimpse of the mysterious region near a black hole at the heart of a distant galaxy, where a powerful stream of subatomic particles spewing outward at nearly the speed of light is formed into a beam, or jet, that then goes nearly straight for thousands of light-years. The results, released in 1999, show that M87’s jet is formed within a few tenths of a light-year of the galaxy’s core, presumed to be a black hole three billion times more massive than the sun. In the formation region, the jet is seen opening widely, at an angle of about 60 degrees, nearest the black hole, but is squeezed down to only 6 degrees a few light-years away.

VLBA Locates Superenergetic Bursts: A giant galaxy’s bursts of very high energy gamma rays are coming from a region very close to the supermassive black hole at its core. The discovery provides important new information about the mysterious workings of the powerful “engines” in the centers of innumerable galaxies throughout the Universe.

Using the NSF’s VLBA, researchers peered through the upper stream of the jet and the heart of M87 pulsing as their central super massive black hole. M87 is the largest galaxy in the Virgo Cluster of galaxies and one of the closest examples of the powerful radio jets. With the VLBA’s super eye, the researchers pinpoint the exact origin of the jet where the black hole resides in M87. The determination of the location of the black hole provides important new information about the mysterious about workings of the powerful “engines” in the centers of innumerable galaxies throughout the Universe.

Image Credit: NRAO/AUI/NSF, See corresponding news release

Adding ALMA to the EHT

ALMA is an interferometer with 66 antennas and baselines up to 16 kilometers long. To join the EHT, however, ALMA had to operate differently. It had to become a phased array, which would be like smooshing all the antennas together into one single dish. To make this change, specialized electronics and computer equipment were built at the National Radio Astronomy Observatory’s Central Development Lab in Charlottesville, Virginia, and then installed in ALMA’s correlator, the supercomputer that combines the signals from the antennas.

The signal from the phased array were then time-stamped and encoded by a dedicated atomic clock – the new hydrogen maser procured and tested by MIT’s Haystack Observatory. There data were then shipped to a central processing center and combined with identically timed signals from other telescopes.

Image Credit: NRAO/AUI/NSF N. Janney/J. Hellerman

More News From Atacama Large Millimeter/submillimeter Array

Using data for more than 500 young stars observed with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), scientists have uncovered a direct link between protoplanetary disk structures—the planet-forming disks that surround stars—and planet demographics. The survey proves that higher mass stars are more likely to be surrounded by disks with “gaps” in them and that these gaps directly correlate to the high occurrence of observed giant exoplanets around such stars. These results provide scientists with a window back through time, allowing them to predict what exoplanetary systems looked like through each stage of their formation.

A team of scientists using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to study the young star Elias 2-27 have confirmed that gravitational instabilities play a key role in planet formation, and have for the first time directly measured the mass of protoplanetary disks using gas velocity data, potentially unlocking one of the mysteries of planet formation.

A team of astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has completed the first census of molecular clouds in the nearby Universe. The study produced the first images of nearby galaxies with the same sharpness and quality as optical imaging and revealed that stellar nurseries do not all look and act the same. In fact, they’re as diverse as the people, homes, neighborhoods, and regions that make up our own world.

Astronomers used ALMA to study three young, high-mass stars and found, not the orderly, stable process of accreting new material seen in low-mass stars, but instead a “chaotic mess.” They conclude that their observations support a proposed “disordered infall” model for massive young stars that was supported by earlier computer simulations.


New closest-known black hole lies in a visible star system

A team of astronomers from the European Southern Observatory (ESO) and other institutes has discovered a black hole lying just 1,000 light-years from Earth. The black hole is closer to our solar system than any other found to date and forms part of a triple system that can be seen with the unaided eye. The team found evidence for the invisible object by tracking its two companion stars using the 2.2-meter telescope at ESO’s La Silla Observatory in Chile. They say this system could just be the tip of the iceberg, as many more similar black holes could be found in the future.

Prior to this discovery, the closest-known black hole was A0620-00 in the constellation of Monoceros at a distance of 3,000 light years.

Petr Hadrava of the Academy of Sciences of the Czech Republic in Prague, a co-author of the research, said:

We were totally surprised when we realized that this is the first stellar system with a black hole that can be seen with the unaided eye.

Located in the constellation of Telescopium, the system is so close to us that its stars can be viewed from the Southern Hemisphere on a dark, clear night without binoculars or a telescope.

ESO scientist Thomas Rivinius, who led the study published May 6, 2020, in Astronomía y astrofísica (doi: 10.1051/0004-6361/202038020), said:

This system contains the nearest black hole to Earth that we know of.

This chart shows the location of the HR 6819 triple system, which includes the closest black hole to Earth, in the constellation of Telescopium. This map shows most of the stars visible to the unaided eye under good conditions and the system itself is marked with a red circle. While the black hole is invisible, the two stars in HR 6819 can be viewed from the Southern Hemisphere on a dark, clear night without binoculars or a telescope. Image via ESO/ IAU/ Sky & Telescope.

The team originally observed the system, called HR 6819, as part of a study of double-star systems. However, as they analyzed their observations, they were stunned when they revealed a third, previously undiscovered body in HR 6819: a black hole. The observations with the FEROS spectrograph on the 2.2-meter telescope at La Silla showed that one of the two visible stars orbits an unseen object every 40 days, while the second star is at a large distance from this inner pair.

Dietrich Baade of ESO in Garching and co-author of the study, said:

The observations needed to determine the period of 40 days had to be spread over several months …

The hidden black hole in HR 6819 is one of the very first stellar-mass black holes found that do not interact violently with their environment and, therefore, appear truly black. But the team could spot its presence and calculate its mass by studying the orbit of the star in the inner pair. Rivinius, who is based in Chile, commented:

An invisible object with a mass at least 4 times that of the sun can only be a black hole.

Astronomers have spotted only a couple of dozen black holes in our galaxy to date, nearly all of which strongly interact with their environment and make their presence known by releasing powerful X-rays in this interaction. But scientists estimate that, over the Milky Way’s lifetime, many more stars collapsed into black holes as they ended their lives. The discovery of a silent, invisible black hole in HR 6819 provides clues about where the many hidden black holes in the Milky Way might be. Rivinius explained:

There must be hundreds of millions of black holes out there, but we know about only very few. Knowing what to look for should put us in a better position to find them.

Baade added that finding a black hole in a triple system so close by indicates that we are seeing just “the tip of an exciting iceberg.”

Already, astronomers believe their discovery could shine some light on a second system. Marianne Heida, a postdoctoral fellow at ESO and co-author of the paper, said:

We realized that another system, called LB-1, may also be such a triple, though we’d need more observations to say for sure. LB-1 is a bit further away from Earth but still pretty close in astronomical terms, so that means that probably many more of these systems exist. By finding and studying them we can learn a lot about the formation and evolution of those rare stars that begin their lives with more than about 8 times the mass of the sun and end them in a supernova explosion that leaves behind a black hole.

The discoveries of these triple systems with an inner pair and a distant star could also provide clues about the violent cosmic mergers that release gravitational waves powerful enough to be detected on Earth. Some astronomers believe that the mergers can happen in systems with a similar configuration to HR 6819 or LB-1, but where the inner pair is made up of two black holes or of a black hole and a neutron star. The distant outer object can gravitationally impact the inner pair in such a way that it triggers a merger and the release of gravitational waves. Although HR 6819 and LB-1 have only one black hole and no neutron stars, these systems could help scientists understand how stellar collisions can happen in triple star systems.

Bottom line: An invisible object has 2 companion stars in the triple star system HR 6819. The 2 companion stars can be seen with the unaided eye. The invisible object can only be a black hole, these astronomers said. It’s located only 1, 000 light-years from Earth, closer than any other black hole found so far.


Thread: Black holes and light?

First off: I'm new new here so I might do somethings in here that may be slightly out of the norm, hope not, but might so if I do please tell me how to improve and tips etc.
I have been told many times about black holes, even with out black holes being my area of reaserch and not my idea of fun space stuff, and I have been told that black holes are "black" because there gravity is so large light can not escape it. Now let's say that the speed I pedal a bike at is not great enough to excit earths gravity, but say I was going straight up in a straight line and could pedal forever at that same speed, I would in theory finally make it out of earths atmosphere and then out of earths gravity.
What is to stop light from continually moving forward and finally breaking free from the black hole?? Is it because the time needed would be greater than the time the black hole has "been" or is it some other theory or law that I have not take into account?

Welcome to the boards, Flanimal.

As much as I've tried, I've never been able to get my bike off the ground to any significant degree, no matter how fast I've pedaled.

I think you're just using a flawed analogy. At one point, light is emitted, but after that, there is no "pedaling." Light doesn't need any additional, continuous "force" to keep traveling.

Think of, say, throwing a baseball straight up. If you could give it enough speed at the point of release, it would escape earth's gravity and keep going. Otherwise, it will fall back to earth. A black hole is where even light doesn't have enough speed at the point of release.

The analogy is flawed, sorry for that. But let's say a rocket with unlimited fuel could go up wards at a very slow speed, let's say less than even 1m/s. That rocket would however go up for ever and not stop going up little by little, every second of time going one metre.

Now let's say in a black hole light is trying to escape, the light would go up with its speed minus the graver try of the black hole, now even if that were so little, so very little, it would slowly escape 1000 of a metre at a time (this is a fiver of speech and not a fact of the lights speed in a black hole)
So would not it carry on to go up for ever needing no more force and then never having to go back wards?

Unfortunately, it's like trying to cycle up a down elevator.
The problem is that light, at the event horizon, simply doesn't move fast enough to increase its radial distance from the black hole. And within the event horizon, an outward-directed photon is swept radially inwards, towards the singularity.
To a distant observer, the coordinates of an outward-moving photon at the event horizon never change - it just hangs there. A local free-falling observer, crossing the event horizon at the speed of light, sees the photon go past "upwards" at lightspeed. A local stationary observer at the event horizon has to accelerate infinitely hard to stay in place, next to the photon (and therefore can't do it).

The usual analogy for this mathematical result is to say that space moves continuously inwards towards the singularity - slower than lightspeed outside the event horizon, at lightspeed at the event horizon, and faster than lightspeed beneath the event horizon. The photon propagates at lightspeed through this inward-moving space, and therefore cannot make outward headway if it's at or below the event horizon. (What that's actually describing is the behaviour of an inertial coordinate system attached to a freefalling observer.)


Black holes and neutron stars may collide unseen in dense star clusters

Astronomers have yet to witness a collision between a black hole and a neutron star, but they predict that such a smashup would unleash huge amounts of energy but, unexpectedly, might not generate any detectable light, a new study finds.

These findings reveal how key details about mergers between black holes and neutron stars, such as the amount of detectable light and the mass of the colliding objects, can shed light on contributing factors behind the mergers, such as the dynamics that drove these smashups to happen.

Both black holes and neutron stars are corpses of stars that died in catastrophic explosions known as supernovas, outbursts that can make a star briefly outshine all of the other stars in its galaxy. When a star goes supernova, the core of its remains collapses under the strength of its own gravitational pull. If this remnant is massive enough, it may form a black hole, which has gravity so powerful that not even light can escape it. A less massive core will form a neutron star, so named because its gravity is strong enough to crush protons together with electrons to form neutrons.

So far, scientists have witnessed mergers of black holes with other black holes and mergers of neutron stars with other neutron stars. Astronomers now await the first detection of a black hole merging with a neutron star &mdash a collision that might yield a trove of insights regarding the evolution of stars and Einstein's theory of general relativity, the best description yet of how gravity works.

Researchers have two ways to witness these giant mergers. They can look for the types of light, or electromagnetic radiation, that the collisions emit, including radio waves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, X-rays and gamma-rays. Or, they can try to detect ripples in the fabric of space and time known as gravitational waves.

Scientists currently have a solid theoretical framework of what a merger between a neutron star and a black hole might look like if the two objects were born from binary stars (pairs of stars that orbit each other) in relative isolation from anything else around them.

"The two stars go through their evolutionary stages influencing each other &mdash for example, sharing a common envelope [cloud of gas], transferring matter from one to the other [and] increasing or decreasing their mutual distances," study author Manuel Arca Sedda, an astrophysicist at Heidelberg University in Germany, told Space.com.

Previous research suggested that mergers between black holes and neutron stars might occur up to 100 times per year per billion cubic parsecs &mdash a volume equivalent to about 34.7 billion cubic light-years.

However, much remains uncertain about the way these dead stars might interact when they're surrounded by stars in a dense cluster of up to millions of stars. Now, Arca Sedda finds this scenario can prove significantly different from isolated mergers.

Arca Sedda conducted 240,000 computer simulations of how pairs of neutron stars and black holes behaved within dense clusters. He focused on scenarios where a binary pair consisting of a neutron star and a companion star had an encounter with a black hole, and where a black hole and a companion star had a run-in with a neutron star. He varied the masses and orbits of all of these objects, as well as the basic properties of the other stars in the cluster, such as their elemental composition and velocity.

One unusual discovery was that, in dense clusters, a black hole and a neutron star could merge without generating any detectable light, although the merger would still generate an extraordinary number of gravitational waves. This can happen when a neutron star plunges into a black hole without turning into hot, bright shreds. Such a scenario is easier when the black hole is more than 10 times the mass of the sun &mdash big enough to swallow the neutron star.

Another way these mergers within dense clusters would differ from isolated mergers is that they would often possess heavier black holes, ones averaging more than 20 times the mass of the sun. In comparison, in isolated mergers between black holes and neutron stars, black holes are often about seven times the mass of the sun and, in general, no more than 20 solar masses, according to a separate study published in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society in 2018.

These findings suggest that if mergers between black holes and neutron stars happened in dense clusters, they would have unique qualities that scientists could use to tell these mergers apart from isolated mergers, the study noted. Gravitational-wave observatories such as the European Space Agency's Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission, which is scheduled to launch in 2034, may be able to detect such mergers in dense clusters if they happened about as far from Earth as the Andromeda galaxy, the Milky Way's closest galactic neighbor. In the future, more advanced gravitational-wave observatories, by contrast, may be sensitive to higher frequencies and thus could spot closer mergers.

In the future, Arca Sedda plans to model a heavy star cluster with about a few million stars, "accounting for all the stars simultaneously and checking the formation of neutron star-black hole mergers," he said. However, he noted that it will be a massive undertaking."Up to now," Arca Sedda said, "there exist only five simulations accounting for 1 million stars in the world."

Arca Sedda detailed his findings online March 5 in the journal Communications Physics.


Astronomers find wandering massive black holes in dwarf galaxies

Astronomers seeking to learn about the mechanisms that formed massive black holes in the early history of the Universe have gained important new clues with the discovery of 13 such black holes in dwarf galaxies less than a billion light-years from Earth.

These dwarf galaxies, more than 100 times less massive than our own Milky Way, are among the smallest galaxies known to host massive black holes. The scientists expect that the black holes in these smaller galaxies average about 400,000 times the mass of our Sun.

"We hope that studying them and their galaxies will give us insights into how similar black holes in the early Universe formed and then grew, through galactic mergers over billions of years, producing the supermassive black holes we see in larger galaxies today, with masses of many millions or billions of times that of the Sun," said Amy Reines of Montana State University.

Reines and her colleagues used the National Science Foundation's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) to make the discovery, which they are reporting at the American Astronomical Society's meeting in Honolulu, Hawaii.

Reines and her collaborators used the VLA to discover the first massive black hole in a dwarf starburst galaxy in 2011. That discovery was a surprise to astronomers and spurred a radio search for more.

The scientists started by selecting a sample of galaxies from the NASA-Sloan Atlas, a catalog of galaxies made with visible-light telescopes. They chose galaxies with stars totalling less than 3 billion times the mass of the Sun, about equal to the Large Magellanic Cloud, a small companion of the Milky Way. From this sample, they picked candidates that also appeared in the National Radio Astronomy Observatory's Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters (FIRST) survey, made between 1993 and 2011.

They then used the VLA to make new and more sensitive, high-resolution images of 111 of the selected galaxies.

"The new VLA observations revealed that 13 of these galaxies have strong evidence for a massive black hole that is actively consuming surrounding material. We were very surprised to find that, in roughly half of those 13 galaxies, the black hole is not at the center of the galaxy, unlike the case in larger galaxies," Reines said

The scientists said this indicates that the galaxies likely have merged with others earlier in their history. This is consistent with computer simulations predicting that roughly half of the massive black holes in dwarf galaxies will be found wandering in the outskirts of their galaxies.

"This work has taught us that we must broaden our searches for massive black holes in dwarf galaxies beyond their centers to get a more complete understanding of the population and learn what mechanisms helped form the first massive black holes in the early Universe," Reines said.

Reines worked with James Condon, of the National Radio Astronomy Observatory Jeremy Darling, of the University of Colorado, Boulder and Jenny Greene, of Princeton University. The astronomers are publishing their results in the Diario astrofísico.

El Observatorio Nacional de Radioastronomía es una instalación de la National Science Foundation, operada bajo un acuerdo cooperativo por Associated Universities, Inc.


A huge black hole eats a huger black hole's dinner then explodes with the light of a trillion suns

3.5 billion light years from Earth — a significant chunk of the way across the visible Universe — lies a monster. It's called OJ287, and it's an active galaxy, one with a tremendous amount of energy blasting out of its nucleus. It's classified as a blazar, one of the most luminous objects in the Universe, with energy pouring out of it across the electromagnetic spectrum, from radio waves all the way up to high-energy gamma rays.

The power source for this galaxy is a black hole in its center that is abjectly soul-crushing in its proportions: It has a mass of 18.4 mil millones times the mass of the Sun — that's the mass of a small galaxy, except it's all compressed down into a single object. This not only makes it a supermassive black hole — it's one of the most massive known.

A maelstrom surrounds it, a swirling disk of gas and dust light years across. Near the center, sólo outside the black hole itself, the material is moving at very nearly the speed of light, and is unimaginably hot. Friction heats it, since material moving farther out from the black hole is revolving around it more slowly, causing intense collisions between particles in the disk. It's so hot and so huge that it is hugely luminous, which is how we can see this object at all from so far away.

You'd think this would be enough superlatives for any object. But there's more. Oh my yes, there's more.

You see, OJ 287’s black hole isn't alone. It's a binary black hole, with a second one orbiting it. This companion is only — only! — 150 million times the Sun's mass. For comparison, the supermassive black hole in the center of the Milky Way is about 4 million solar masses, so even this smaller one in OJ 287 positively dwarfs ours.

The orbit of a 150 million solar mass black hole takes it plunging through accretion disk around an 18 billion solar mass black hole in the center of the galaxy OJ 287. Credit: Dey et al.

It orbits the bigger one every 12 years, traveling along an elongated elliptical path that takes it to within 500 billion kilometers of its bigger compatriot. That's a long way in human terms (it's about 100 times the distance of Neptune from the Sun), but remember the scale of what we're talking about here: The accretion disk around the primary black hole is trillions of kilometers wide, so the secondary black hole plunges right through the disk, twice per orbit. And when it does, all hell breaks loose.

Its immense gravity draws in a huge amount of material from the disk, which heats up massively as it falls in. Even though the disk itself is still quite hot at that location anyway, this event dumps even more energy into it, creating two huge rapidly expanding bubbles of gas superheated to 100,000°C, nearly 20 times hotter than the surface of the Sun. This creates an intense flare of brightness from the disk, which grows rapidly at first as the bubbles expand, then dims as the bubbles get so big and spread out they become transparent.

How intense are they, you ask? Well, at their maximum they put out a trillion times as much light as the Sun. A trillion. That's more luminous than our entire galaxy, and the flares last for days.

The word apocalyptic falls very far short of the colossal terrifyingness of these flares.

Artwork (not to scale) depicting the binary black hole in the heart of the blazar OJ 287. The less massive black hole plunges through the accretion disk around the more massive black hole, creating a huge bubble of superheated gas. Crédito: NASA / JPL-Caltech

The flares have been seen occurring for decades, but only just recently have been understood as the secondary black hole punching a hole in the accretion disk.

But it gets better yet: Not only did astronomers figure that out, but by understanding the behavior of the black holes, the disk, and the nature of Einstein's Theory of General Relativity, they were able to predict the most recent flare…. And get the timing right to just four hours!

The orbit of a smaller black hole precesses, or rotates around, as it moves around the much larger black hole in the center of OJ 287 (at 0,0 in the graph). The shape is a rosette, like a flower the accretion disk lies along the x-axis, and dates of the accretion disk passage are labeled near where they occur (to avoid the numbers getting crowded in the plot). Credit: Laine et al.

They looked at the timing of the previous flares, which have a 12-year cycle to them. They come in pairs, but the timing between the flares changes. It turns out this is because of relativity. As I've written about a few times before, space is so heavily warped near a black hole that the orbit of an object around it changes its orientation in a process called precession. So instead of just making an ellipse over and over again, the ellipse itself rotates.

This means the object makes more of a rosette pattern, and the angle between the petals of that rosette depends on how close the object gets. Although the secondary black hole never gets closer than half a trillion km, the bigger black hole is so immense that it warps space on a huge scale, and the secondary black holes orbit shifts by 39° every time it passes! That's a huge change, and is why the timing of the flares changes. The orbit itself is shifting, so the timing of the black hole plunging through the disk shifts with it.

This video shows you what I mean:

The flare was predicted for 31 July 2019, which presented a problem: From Earth, that put OJ 287 just a few degrees from the Sun! That made observing it from our planet impossible. As luck would have it though, Spitzer Space Telescope orbits the Sun in a similar orbit as Earth but drifts away from it over time. In 2019 it was 250 million km from Earth, and had a clear view of the blazar. Scheduling issues meant it couldn't start observing it until after the start of the predicted flare window, but despite that caught the flare as it was happening!

The brightness of the 2019 flare in two different infrared colors (red and green) compared to observations from the earlier 2007 flare (blue dots and solid line, shifted in time 12 years), showing they match closely. Credit: Laine et al.

After looking at the data, the astronomers discovered that had predicted the flare to within four hours, an amazing achievement. Not only that, but the way the flare brightened and dimmed was almost exactly the way it did in 2007 the physics and situation are about the same, but it's still rather astonishing to see the same thing happening a dozen years later on such a vast scale.

Their models predict the next impact to be in mid-2022. Unfortunately Spitzer was shut off earlier this year after 16 years of service, and unluckily the 2022 flare happens when OJ 287 is very close to the Sun again! I don't know if it will be observable when it occurs. The paper doesn't mention the next flare after that one, so we may just have to wait and see.


Pair of supermassive black holes discovered on a collision course

A galaxy roughly 2.5 billion light-years away has a pair of supermassive black holes (inset). The locations of the black holes are lit up by warm gas and bright stars that surround the objects. The finding improves estimates of when astronomers will first detect gravitational wave background generated by supermassive black holes. Credit: A.D. Goulding et al./Astrophysical Journal Letters 2019

Astronomers have spotted a distant pair of titanic black holes headed for a collision.

Each black hole's mass is more than 800 million times that of our sun. As the two gradually draw closer together in a death spiral, they will begin sending gravitational waves rippling through space-time. Those cosmic ripples will join the as-yet-undetected background noise of gravitational waves from other supermassive black holes.

Even before the destined collision, the gravitational waves emanating from the supermassive black hole pair will dwarf those previously detected from the mergers of much smaller black holes and neutron stars.

"Supermassive black hole binaries produce the loudest gravitational waves in the universe," says co-discoverer Chiara Mingarelli, an associate research scientist at the Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics in New York City. Gravitational waves from supermassive black hole pairs "are a million times louder than those detected by LIGO."

The study was led by Andy Goulding, an associate research scholar at Princeton University. Goulding, Mingarelli and collaborators from Princeton and the U.S. Naval Research Laboratory in Washington, D.C., report the discovery July 10 in La Astrophysical Journal Letters.

The two supermassive black holes are especially interesting because they are around 2.5 billion light-years away from Earth. Since looking at distant objects in astronomy is like looking back in time, the pair belong to a universe 2.5 billion years younger than our own. Coincidentally, that's roughly the same amount of time the astronomers estimate the black holes will take to begin producing powerful gravitational waves.

In the present-day universe, the black holes are already emitting these gravitational waves, but even at light speed the waves won't reach us for billions of years. The duo is still useful, though. Their discovery can help scientists estimate how many nearby supermassive black holes are emitting gravitational waves that we could detect right now.

Detecting the gravitational wave background will help resolve some of the biggest unknowns in astronomy, such as how often galaxies merge and whether supermassive black hole pairs merge at all or become stuck in a near-endless waltz around each other.

"It's a major embarrassment for astronomy that we don't know if supermassive black holes merge," says study co-author Jenny Greene, a professor of astrophysical sciences at Princeton. "For everyone in black hole physics, observationally this is a long-standing puzzle that we need to solve."

Supermassive black holes contain millions or even billions of suns' worth of mass. Nearly all galaxies, including the Milky Way, contain at least one of the behemoths at their core. When galaxies merge, their supermassive black holes meet up and begin orbiting one another. Over time, this orbit tightens as gas and stars pass between the black holes and steal energy.

Once the supermassive black holes get close enough, though, this energy theft all but stops. Some theoretical studies suggest that black holes then stall at around 1 parsec (roughly 3.2 light-years) apart. This slowdown lasts nearly indefinitely and is known as the final parsec problem. In this scenario, only very rare groups of three or more supermassive black holes result in mergers.

Astronomers can't just look for stalled pairs because long before the black holes are 1 parsec apart, they're too close to distinguish as two separate objects. Moreover, they don't produce strong gravitational waves until they overcome the final-parsec hurdle and get closer together. (Observed as they were 2.5 billion years ago, the newfound supermassive black holes appear about 430 parsecs apart.)

If the final parsec problem doesn't exist, then astronomers expect that the universe is filled with the clamor of gravitational waves from supermassive black hole pairs. "This noise is called the gravitational wave background, and it's a bit like a chaotic chorus of crickets chirping in the night," says Goulding. "You can't discern one cricket from another, but the volume of the noise helps you estimate how many crickets are out there." (When two supermassive black holes finally collide and combine, they send out a thundering chirp that dwarfs all others. Such an event is brief and extraordinarily rare, though, so scientists don't expect to detect one any time soon.)

The gravitational waves generated by supermassive black hole pairs are outside the frequencies currently observable by experiments such as LIGO and Virgo. Instead, gravitational wave hunters rely on arrays of special stars called pulsars that act like metronomes. The rapidly spinning stars send out radio waves in a steady rhythm. If a passing gravitational wave stretches or compresses the space between Earth and the pulsar, the rhythm is slightly thrown off.

Detecting the gravitational wave background using one of these pulsar timing arrays takes patience and plenty of monitored stars. A single pulsar's rhythm might be disrupted by only a few hundred nanoseconds over a decade. The louder the background noise, the bigger the timing disruption and the sooner the first detection will be made.

Goulding, Greene and the other observational astronomers on the team detected the two titans with the Hubble Space Telescope. Although supermassive black holes aren't directly visible through an optical telescope, they are surrounded by bright clumps of luminous stars and warm gas drawn in by the powerful gravitational tug. For its time in history, the galaxy harboring the newfound supermassive black hole pair "is basically the most luminous galaxy in the universe," Goulding says. What's more, the galaxy's core is shooting out two unusually colossal plumes of gas. After the researchers pointed the Hubble Space Telescope at the galaxy to uncover the origins of its spectacular gas clouds, they discovered that the system contained not one but two massive black holes.

The observationalists then teamed up with gravitational wave physicists Mingarelli and Princeton graduate student Kris Pardo to interpret the finding in the context of the gravitational wave background. The discovery provides an anchor point for estimating how many supermassive black hole pairs are within detection distance of Earth. Previous estimates relied on computer models of how often galaxies merge, rather than actual observations of supermassive black hole pairs.

Based on the findings, Pardo and Mingarelli predict that in an optimistic scenario there are about 112 nearby supermassive black holes emitting gravitational waves. The first detection of the gravitational wave background from supermassive black holes should therefore come within the next five years or so. If such a detection isn't made, that would be evidence that the final parsec problem may be insurmountable. The team is currently looking at other galaxies similar to the one harboring the newfound supermassive black hole pair. Finding additional pairs will help them further hone their predictions.


The Black Hole Enigma

Black Holes present a riddle for physicists in that the singularity is so dense it appears infinite—like a limitless dent in the fabric of space-time. It does not abide by the established, everyday rules of physics for this reason. The ‘point-break’ in which matter becomes so dense and compact that it becomes a black hole is named the Radio de Schwarzschild after the German physicist who added more calculations to Einstein’s general theory of relativity.

At the center of a black hole, the singularity deems the location or point in which no matter, not even light can escape such a tremendous gravitational pull. In the end, the black hole is still just a hypothetical object that holds an unimaginably hefty volume of mass in space—so much that it attracts all the stars in the galaxy! For this reason, we rightfully have theorized that each galaxy in the universe is held together by a super-massive black hole, since there is no other object capable of attracting such a widespread collection of stars. Mathematically, the black hole reminds us of the limit phi—to read more about phi check out The Golden Ratio and Harmonies of the Universe.

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