Astronomie

Peut-on discerner des trous noirs avec la lumière visible ?

Peut-on discerner des trous noirs avec la lumière visible ?

Désolé pour mes termes stupides. Je m'intéresse à l'astronomie mais j'ai une expérience presque nulle.

Étant donné qu'un trou noir absorbe tout, y compris la lumière, pourrions-nous jamais en discerner un avec la lumière visible (et vivre pour transmettre l'information) ?

Cette question contient une image générée d'un trou noir et l'image Google montre des représentations visuelles qui se ressemblent toutes (cercle noir au centre, lumière déformée autour et plus on s'éloigne du centre, l'arrière-plan est de moins en moins déformé), mais sont-ils réellement représentatifs ? Y a-t-il vraiment un point noir dans notre champ de vision à l'endroit où se trouve le trou noir ? La réponse à la question et cette page rejettent les images telles que « fantasme », mais elles ne répondent pas vraiment aux questions que je pose, à savoir :

  1. Pourra-t-on un jour discerner un trou noir avec la lumière visible et vivre ?
  2. Si nous le pouvons, quelle est une description actuellement acceptable de ce que nous verrons avec la lumière visible ? Je ne m'attends pas spécialement à une image, donc une description textuelle est également bonne, mais gardez à l'esprit que cela concerne la lumière visible. D'autres questions sur Astronomy SE expliquent ce que l'on peut « détecter » à l'aide d'ondes radio ou d'autres moyens d'observation.
  3. En 2014-2015, le CERN a déclaré qu'il pourrait créer des micropscopiques à courte durée de vie (10-27 secondes) des trous noirs avec le LHC (et cela a conduit à une peur globale absurde qu'il détruise la planète). En ont-ils créé ? Si oui, y a-t-il eu l'occasion de les imaginer malgré leur petite taille et leur courte durée de vie ?

Il existe deux manières « habituelles » de détecter un trou noir :

S'il fait partie d'un système binaire (deux étoiles tournant étroitement l'une autour de l'autre) et entraînant la matière de l'autre étoile dans un disque d'accrétion, ce disque se réchauffera. La distribution d'énergie nous dira si l'objet accréteur est bien un trou noir ou une étoile à neutrons. Ceci est principalement visible en radiographie, donc pas une réponse à votre question.

Si le trou noir a une masse de 100 000 à des millions de fois celle du soleil (trou noir supermassif), il se situera au centre d'une galaxie et accumulera parfois de la matière. Ceci est principalement visible en radio, et encore en radiographie. Toujours pas de réponse.

Alors, comment détecter un trou noir dans l'optique ? La meilleure chance est une détection indirecte, comme dans les images que vous avez liées ci-dessus. Celui avec les étoiles déformées en arrière-plan n'est pas "juste de la fantaisie", mais une simulation basée sur notre compréhension de la gravité. Le problème lorsque nous essayons de voir cela est l'échelle, et donc la résolution. L'horizon des événements d'un trou noir de masse stellaire est de l'ordre de quelques kilomètres.

Remplaçons notre soleil par un trou noir. A une distance de $1.5cdot10^8$km, avec un diamètre de trou noir de 6km, on le verrait occuper un angle de egin{equation} alpha = an{left(frac{6}{1.5 cdot10^8} ight)} = frac{6}{1.5cdot10^8} = 2.3^{circ}cdot10^{-6} = 8".3 cdot 10^{-3} ,. end{equation} Ainsi, un trou noir de masse solaire à la position du soleil aurait une taille de 8 millisecondes d'arc (mas). Un seul télescope de 8 m au VLT a une résolution de 50 ma. Si nous considérons que la force gravitationnelle L'effet de lentille a lieu à des échelles plus grandes que le rayon de Schwarzschild, il pourrait juste réussir à voir cet effet.(La limite de résolution théorique pour un télescope de 8m à une longueur d'onde de 500nm est de 1,22$ lambda / d = 15$mas.)

Pour de vrais trous noirs à des distances de 10 ou 100 années-lumière, vous auriez besoin d'un télescope vraiment gigantesque.

Option suivante, toujours avec la lentille gravitationnelle : L'effet de microlentille agrandit temporairement une étoile d'arrière-plan - elle brille plus fort pendant une courte période de temps. Un trou noir passant au premier plan peut provoquer cela, et c'est une observation optique, mais il est très difficile de savoir que l'objectif était bien un trou noir et non une étoile ou un autre objet compact.

Dernière option, le rayonnement de Hawking : Hawking a postulé que les trous noirs pourraient émettre un rayonnement inversement proportionnel à leur taille. Pour les trous noirs suffisamment petits, il s'agit d'un processus incontrôlable - ils émettent plus à mesure qu'ils deviennent plus petits, et parce que l'émission les fait rétrécir, ils émettent encore plus. Étant donné que le rayonnement de Hawking a un spectre de corps noir, le maximum de cette émission se situera dans le domaine visible pendant une brève période de temps avant de passer aux rayons UV, rayons X et gamma. Le problème ici est que personne ne l'a encore observé, et vous auriez besoin d'un trou noir assez petit (mais pas trop petit) à proximité. En outre, vous pourriez être tué à mesure que le rayonnement devient plus intense.

A vos questions :

  1. Possible, mais probablement pas. Vous auriez besoin de vous approcher très près, mais pas assez pour être tué par les forces de la marée. Ou vous auriez besoin d'être capable d'identifier une microlentille comme un trou noir par d'autres moyens que la lentille.
  2. Soit des effets de lentille (voir ci-dessus), soit un bref flash passant du rouge au bleu (probablement trop court pour être observé).
  3. Ces trous noirs seraient surtout visibles par l'absence d'autres particules. Vous obtiendriez moins de particules élémentaires que prévu pour la réaction, une certaine énergie et une certaine quantité de mouvement seraient manquantes, et il y aurait un rayonnement gamma caractéristique. Cependant, pour que le CERN l'annonce, cela aurait dû arriver assez souvent pour ne pas être un coup de chance statistique (cela s'est avéré ne pas être une détection après tout.)

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

Fascinants et incompris, les trous noirs sont des régions de l'espace dont la gravité de surface est si puissante que même la lumière ne peut s'en échapper. Sa limite est appelée l'horizon des événements et est considérée comme le point de non-retour.

Une fois que la matière a atteint l'horizon des événements, elle sera aspirée dans la singularité du trou noir, qui, selon la théorie des scientifiques, est un point infiniment petit et dense où les lois de la physique ne s'appliquent plus. Les trous noirs ne sont pas visibles, les scientifiques ne peuvent donc discerner leur présence que par la manière dont la matière environnante est affectée.


Radioastronomie et trous noirs

Les astronomes ont capturé le premier direct preuve visuelle d'un trou noir Trou noir Un objet – généralement une étoile effondrée – dont la gravité est si forte que sa vitesse de fuite dépasse la vitesse de la lumière. : une image du trou noir supermassif Trou noir supermassif Un trou noir qui a un million voire un milliard de masses solaires. Ces grands trous noirs se cachent au centre de la plupart des galaxies. au centre de Messier 87 (M87), une galaxie elliptique géante Galaxie elliptique Une galaxie qui apparaît de forme ronde ou elliptique, contenant généralement peu de gaz et de poussière, pas de bras ou de disque spiraux, la plupart du temps des étoiles plus anciennes, dont la forme varie de sphérique à en forme de "football" et peu d'étoiles chaudes et brillantes. 55 millions d'années-lumière Années-lumière Distance parcourue par la lumière en un an dans le vide. Une année-lumière équivaut à environ six mille milliards de kilomètres. Depuis la terre. Cette observation sans précédent a été rendue possible par le télescope Event Horizon (EHT), un réseau de huit radiotélescopes individuels répartis sur quatre continents et reliés entre eux pour former un nouveau télescope exceptionnellement puissant. L'image récemment publiée révèle une structure en forme d'anneau rougeoyante avec une région centrale sombre - une caractéristique connue sous le nom d'« ombre » d'un trou noir.

En tant qu'élément le plus sensible et le plus grand de l'EHT, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) Financé par la US National Science Foundation et ses partenaires internationaux (NRAO/ESO/NAOJ), ALMA fait partie des observatoires astronomiques les plus complexes et les plus puissants sur Terre ou dans l'espace. Le télescope est un réseau de 66 antennes paraboliques de haute précision dans le nord du Chili. au Chili a contribué à rendre cette observation possible. Avec ALMA, l'EHT a atteint l'une des résolutions les plus élevées jamais atteintes en astronomie, 20 microsecondes d'arc. Une microseconde d'arc correspond à peu près à la taille du point à la fin de cette phrase si vous regardez depuis la Lune. Ces observations aideront les scientifiques à comprendre comment l'univers se comporte dans des conditions de gravité extrême, des forces si fortes qu'elles déforment le tissu de l'espace et du temps. Ce n'est que la dernière étape d'un voyage qui a commencé il y a près de 50 ans avec l'interféromètre Green Bank de l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO) : le premier télescope à identifier et localiser le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. L'EHT est une version turbo de ce télescope pionnier.

L'histoire complète de l'EHT, y compris l'historique des trous noirs et les documents de support, se trouve dans la section spéciale de la National Science Foundation : “Explorer les trous noirs.”

Kazunori Akiyama
Le boursier NRAO Jansky de l'observatoire MIT Haystack qui a développé de nouvelles techniques d'imagerie pour l'EHT et a dirigé les efforts internationaux pour créer les premières images du trou noir supermassif de M87 en tant que coordinateur du groupe d'imagerie.
617-715-5579 [email protected]

Charles E. Bleu
Responsable de l'information publique
Observatoire national de radioastronomie
434-296-0314 [email protected]

EHT Newsroom : À la recherche de l'ombre d'un trou noir

Des astronomes capturent la première image d'un trou noir

Crédit d'image : Collaboration EHT

Le télescope Event Horizon (EHT) - un réseau à l'échelle planétaire de huit radiotélescopes au sol forgés grâce à une collaboration internationale - a été conçu pour capturer des images d'un trou noir. Aujourd'hui, lors de conférences de presse coordonnées à travers le monde, les chercheurs de l'EHT révèlent qu'ils ont réussi, dévoilant la première preuve visuelle directe d'un trou noir supermassif et de son ombre.

Cette percée a été annoncée aujourd'hui dans une série de six articles publiés dans un numéro spécial de le Lettres de revues astrophysiques. L'image révèle le trou noir au centre de Messier 87, une galaxie massive dans l'amas de galaxies de la Vierge à proximité. Ce trou noir réside à 55 millions d'années-lumière de la Terre et a une masse 6,5 milliards de fois celle du Soleil.

L'EHT relie les télescopes du monde entier pour former un télescope virtuel de la taille de la Terre avec une sensibilité et une résolution sans précédent. L'EHT est le résultat d'années de collaboration internationale et offre aux scientifiques une nouvelle façon d'étudier les objets les plus extrêmes de l'Univers prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein au cours de l'année du centenaire de l'expérience historique qui a confirmé la théorie pour la première fois.

“Nous avons pris la première photo d'un trou noir,” a déclaré le directeur du projet EHT Berger S. Doeleman du Centre d'Astrophysique | Harvard et Smithsonian. “Il s'agit d'une prouesse scientifique extraordinaire accomplie par une équipe de plus de 200 chercheurs.

Les trous noirs sont des objets cosmiques extraordinaires avec des masses énormes mais des tailles extrêmement compactes. La présence de ces objets affecte leur environnement de manière extrême, déformant l'espace-temps et surchauffant tout matériau environnant.

“Si immergé dans une région lumineuse, comme un disque de gaz incandescent, nous nous attendons à ce qu'un trou noir crée une région sombre semblable à une ombre - quelque chose prédit par la relativité générale d'Einstein que nous n'avons jamais vu auparavant,” a expliqué le président du Conseil scientifique de l'EHT Heino Falcke de l'Université Radboud, aux Pays-Bas. “Cette ombre, causée par la courbure gravitationnelle et la capture de la lumière par l'horizon des événements, en dit long sur la nature de ces objets fascinants et nous a permis de mesurer l'énorme masse du trou noir de M87.

Plusieurs méthodes d'étalonnage et d'imagerie ont révélé une structure en forme d'anneau avec une région centrale sombre - l'ombre du trou noir - qui a persisté sur plusieurs observations EHT indépendantes.

Une fois que nous étions sûrs d'avoir imagé l'ombre, nous pouvions comparer nos observations à des modèles informatiques étendus qui incluent la physique de l'espace déformé, de la matière surchauffée et des champs magnétiques puissants. De nombreuses caractéristiques de l'image observée correspondent étonnamment bien à notre compréhension théorique,” remarques Paul T.P. Ho, Membre du conseil d'administration de l'EHT et directeur de l'Observatoire de l'Asie de l'Est [5]. "Cela nous rend confiants quant à l'interprétation de nos observations, y compris notre estimation de la masse du trou noir."

La création de l'EHT était un défi formidable qui a nécessité la mise à niveau et la connexion d'un réseau mondial de huit télescopes préexistants déployés sur une variété de sites difficiles à haute altitude. Ces emplacements comprenaient des volcans à Hawaï et au Mexique, des montagnes en Arizona et dans la Sierra Nevada espagnole, le désert chilien d'Atacama et l'Antarctique.

Les observations EHT utilisent une technique appelée interférométrie à très longue base (VLBI) qui synchronise les installations des télescopes du monde entier et exploite la rotation de notre planète pour former un énorme télescope de la taille de la Terre observant à une longueur d'onde de 1,3 mm. Le VLBI permet à l'EHT d'atteindre une résolution angulaire de 20 microsecondes d'arc - assez pour lire un journal à New York depuis un café-terrasse à Paris.

Les télescopes qui ont contribué à ce résultat étaient ALMA, APEX, le télescope IRAM de 30 mètres, le télescope James Clerk Maxwell, le grand télescope millimétrique Alfonso Serrano, le réseau submillimétrique, le télescope submillimétrique et le télescope du pôle Sud [7]. Des pétaoctets de données brutes provenant des télescopes ont été combinés par des superordinateurs hautement spécialisés hébergés par le Max Planck Institute for Radio Astronomy et le MIT Haystack Observatory.

La construction de l'EHT et les observations annoncées aujourd'hui représentent l'aboutissement de décennies de travaux observationnels, techniques et théoriques. Cet exemple de travail d'équipe mondial a nécessité une étroite collaboration de chercheurs du monde entier. Treize institutions partenaires ont travaillé ensemble pour créer l'EHT, en utilisant à la fois une infrastructure préexistante et le soutien d'une variété d'agences. Le financement principal a été fourni par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, le Conseil européen de la recherche (ERC) de l'UE et des agences de financement en Asie de l'Est.

“Nous avons réalisé quelque chose que l'on croyait impossible il y a à peine une génération,” conclu Doeleman. "Des percées technologiques, des connexions entre les meilleurs observatoires radio du monde et des algorithmes innovants se sont tous réunis pour ouvrir une toute nouvelle fenêtre sur les trous noirs et l'horizon des événements."

"Lorsque la NSF a créé la NRAO en 1956, elle a jeté les bases de décennies de découvertes", a déclaré l'astrophysicien Joe Pesce, qui supervise le financement de la NSF de la NRAO. "Aujourd'hui, les fruits de cet investissement sont particulièrement évidents dans une réalisation vraiment remarquable de l'astronomie d'observation."

« Grâce à son leadership dans ALMA et son soutien à long terme à l'EHT, NRAO a une fois de plus contribué à faire progresser notre compréhension du cosmos et de la physique des lois fondamentales. Cette observation illustre clairement la valeur de la radioastronomie pour le progrès scientifique. La prochaine génération de radiotélescopes, y compris le VLA de nouvelle génération, produira de nombreux autres résultats révolutionnaires », a déclaré Tony Beasley, directeur de la NRAO.

[1] L'ombre d'un trou noir est ce qui se rapproche le plus d'une image du trou noir lui-même, un objet complètement sombre dont la lumière ne peut s'échapper. La limite du trou noir - l'horizon des événements dont l'EHT tire son nom - est environ 2,5 fois plus petite que l'ombre qu'il projette et mesure un peu moins de 40 milliards de km de diamètre.

[2] Les trous noirs supermassifs sont des objets astronomiques relativement petits, ce qui les a rendus impossibles à observer directement jusqu'à présent. Comme la taille d'un trou noir est proportionnelle à sa masse, plus un trou noir est massif, plus l'ombre est grande. Grâce à sa masse énorme et sa proximité relative, le trou noir de M87 devait être l'un des plus grands visibles depuis la Terre, ce qui en fait une cible parfaite pour l'EHT.

[3] Bien que les télescopes ne soient pas physiquement connectés, ils sont capables de synchroniser leurs données enregistrées avec des horloges atomiques – des masers à hydrogène – qui chronométrent précisément leurs observations. Ces observations ont été recueillies à une longueur d'onde de 1,3 mm lors d'une campagne mondiale de 2017. Chaque télescope de l'EHT a produit d'énormes quantités de données – environ 350 téraoctets par jour – qui ont été stockées sur des disques durs à haute performance remplis d'hélium. Ces données ont été envoyées par avion à des superordinateurs hautement spécialisés – appelés corrélateurs – à l'Institut Max Planck de radioastronomie et à l'observatoire MIT Haystack pour être combinées. Ils ont ensuite été minutieusement convertis en une image à l'aide de nouveaux outils informatiques développés par la collaboration.

[4] Il y a 100 ans, deux expéditions partaient pour l'île de Príncipe au large des côtes africaines et Sobral au Brésil pour observer l'éclipse solaire de 1919, dans le but de tester la relativité générale en voyant si la lumière des étoiles serait courbée autour du limbe du soleil, comme prédit par Einstein. En écho à ces observations, l'EHT a envoyé des membres de l'équipe dans certaines des installations radio les plus hautes et isolées du monde pour tester une fois de plus notre compréhension de la gravité.

[5] Le partenaire de l'Observatoire de l'Asie de l'Est (EAO) sur le projet EHT représente la participation de nombreuses régions d'Asie, notamment la Chine, le Japon, la Corée, Taïwan, le Vietnam, la Thaïlande, la Malaisie, l'Inde et l'Indonésie.

[6] Les futures observations EHT verront une sensibilité considérablement accrue avec la participation de l'observatoire IRAM NOEMA, du télescope du Groenland et du télescope de Kitt Peak.

[7] ALMA est un partenariat entre l'Observatoire européen austral (ESO Europe, représentant ses États membres), la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et les National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon, ainsi que le National Research Council (Canada) , le Ministère des sciences et de la technologie (MOST Taiwan), l'Institut d'astronomie et d'astrophysique de l'Academia Sinica (ASIAA Taiwan) et l'Institut coréen d'astronomie et des sciences spatiales (KASI République de Corée), en coopération avec la République du Chili. L'APEX est exploité par l'ESO, le télescope de 30 mètres de l'IRAM est exploité par l'IRAM (les organisations partenaires de l'IRAM sont MPG (Allemagne), CNRS (France) et IGN (Espagne)), le télescope James Clerk Maxwell est exploité par l'EAO, le Le grand télescope millimétrique Alfonso Serrano est exploité par INAOE et UMass, le réseau submillimétrique est exploité par SAO et ASIAA et le télescope submillimétrique est exploité par l'Arizona Radio Observatory (ARO). Le télescope du pôle Sud est exploité par l'Université de Chicago avec une instrumentation EHT spécialisée fournie par l'Université de l'Arizona.

Plus d'information

Cette recherche a été présentée dans une série de six articles publiés aujourd'hui dans un numéro spécial de Les lettres du journal astrophysique.

La collaboration EHT implique plus de 200 chercheurs d'Afrique, d'Asie, d'Europe, d'Amérique du Nord et du Sud. La collaboration internationale s'efforce de capturer les images de trou noir les plus détaillées jamais réalisées en créant un télescope virtuel de la taille de la Terre. Soutenu par des investissements internationaux considérables, l'EHT relie les télescopes existants à l'aide de nouveaux systèmes, créant ainsi un instrument fondamentalement nouveau avec le pouvoir de résolution angulaire le plus élevé jamais atteint.

Les télescopes individuels impliqués sont ALMA, APEX, le télescope IRAM de 30 mètres, l'observatoire IRAM NOEMA, le télescope James Clerk Maxwell (JCMT), le grand télescope millimétrique Alfonso Serrano (LMT), le réseau submillimétrique (SMA), le télescope submillimétrique (SMT), le télescope du pôle Sud (SPT), le télescope de Kitt Peak et le télescope du Groenland (GLT).

L'horizon événementiel d'un trou noir : un « grand défi » de l'astronomie

Au bord de l'espace observable où la gravité devient si forte qu'elle tord littéralement le tissu de l'univers, la science prédit des phénomènes apparemment impossibles - la déformation de la lumière, la distorsion du temps et de l'espace, et un point de non-retour où la matière et l'énergie sont à jamais perdus.

C'est ce que l'on appelle « l'horizon des événements » d'un trou noir. Lorsqu'il est entouré d'un disque chaud de gaz et de poussière, l'horizon des événements devrait devenir visible, apparaissant comme une ombre sombre sur un fond brillant. L'objectif de l'EHT était d'imager cette caractéristique et d'étudier son comportement remarquable.

Les astronomes ont pratiquement prouvé l'existence de trous noirs supermassifs, bien qu'indirectement. Les images de puissants jets radio jaillissant de noyaux galactiques et les études en cours d'étoiles tournant autour du centre de la Voie lactée annoncent clairement la présence d'un trou noir supermassif. Mais la théorie générale d'Einstein nous dit qu'il existe des preuves plus concrètes, si seulement nous pouvions voir l'influence gravitationnelle directe du trou noir sur le tissu proche de l'espace-temps.

Bien que massif au-delà de la compréhension, le trou noir central d'une galaxie est si compact que sa gravité ne domine qu'une région relativement petite près du centre de la galaxie. Jusqu'à présent, la taille relativement petite d'un trou noir a contrecarré les observations de près de l'horizon des événements d'un trou noir, même avec les télescopes les plus avancés. Pour ajouter au défi, la plupart des trous noirs supermassifs sont incrustés profondément dans des régions épaisses de poussière et de gaz, ce qui les obscurcit complètement à la vue des télescopes optiques. Le télescope Event Horizon, parfois appelé « l'application qui tue l'astronomie », a surmonté ces deux défis.

Crédit d'image: NRAO/AUI/NSF D. Berry

Interféromètres : des télescopes faits en grande partie de rien

Les radiotélescopes comme l'EHT peuvent étudier l'univers d'une manière qui est hors de portée des télescopes optiques. Les radiotélescopes peuvent voir la lumière émise naturellement par les molécules et la poussière froide. La lumière radio, qui a des longueurs d'onde plus longues que la lumière visible, peut traverser la poussière et le gaz interstellaires, révélant des détails au centre des galaxies.

Les longueurs d'onde plus longues de la lumière, cependant, posent des défis supplémentaires aux observateurs sur Terre. Pour voir des objets à des longueurs d'onde radio, les astronomes ont besoin de télescopes beaucoup plus grands que ceux nécessaires pour des observations similaires en lumière visible. Par exemple, pour voir avec la même clarté que le télescope spatial Hubble de 2,4 mètres, les observations radio à une longueur d'onde relativement courte de 1 centimètre auraient besoin d'une parabole de 20 kilomètres de diamètre. Il serait presque impossible de construire un tel télescope, mais les astronomes ont trouvé un moyen de contourner cette limitation, atteignant une résolution bien au-delà de celle de Hubble : l'interférométrie radio.

L'interférométrie est un principe de base en physique et un outil puissant en astronomie. Avec lui, les scientifiques sont capables de relier entre eux un ou plusieurs paires d'antennes radio, même distantes de milliers de kilomètres, pour créer un nouveau télescope « virtuel » beaucoup plus puissant.

Imaginez tracer une ligne entre une paire d'antennes que les astronomes appellent cela une "ligne de base". Plus la ligne de base est longue, plus l'ouverture du télescope virtuel est grande. Plus l'ouverture est grande, plus sa résolution est grande.

La haute résolution est possible grâce à la capacité des ondes lumineuses à se chevaucher et à fusionner les unes avec les autres, créant un motif d'interférence distinctif en forme d'onde.

Les modèles d'interférence sont faciles à voir. Tout ce dont vous avez besoin est une source de lumière, une pièce sombre et une barrière avec deux ouvertures ou fentes distinctes. Une fois que la lumière a traversé les fentes, elle se chevauche et se combine pour créer une alternance de bandes claires et sombres.

Dans le cas d'un interféromètre radio, les deux antennes agissent comme des fentes, captant des ondes de lumière radio provenant de la même source cosmique. Si les antennes sont trop éloignées pour être connectées avec un fil ou un câble (un à Hawaï et un dans les Caraïbes, pour utiliser un exemple réel), les astronomes enregistrent et horodatent avec précision les signaux de chaque antenne. Ces enregistrements sont ensuite rassemblés et combinés à l'aide de puissants ordinateurs. Les astronomes peuvent ensuite utiliser un outil mathématique appelé transformée de Fourier pour reconstruire une image d'un objet cosmique tel qu'il serait vu en lumière radio.

Crédit image : NRAO/AUI/NSF S. Dagnello

Une paire, deux paires, n'importe quelle paire à plusieurs paires

Une seule paire d'antennes, cependant, n'est pas un outil d'imagerie efficace. Des paires d'antennes plus liées, appelées réseau, sont nécessaires pour former une image plus claire.

Dans un réseau, chaque antenne forme une ligne de base avec les autres antennes. Par exemple, les 27 plats du Very Large Array de la National Science Foundation créent 351 lignes de base. (Ajouter une seule antenne supplémentaire augmenterait le nombre de lignes de base à 378.)

Cependant, transformer cette image à plusieurs niveaux de référence en une image vraiment précise nécessite un ingrédient supplémentaire : du temps. Comme une exposition accélérée, les radiotélescopes ont besoin de temps pour construire une image de sources très faibles. Le temps permet également à la Terre de tourner, comblant efficacement les lacunes pour produire une image plus complète, un processus que les astronomes appellent "synthèse d'ouverture".

Des réseaux comme le VLA et l'ALMA utilisent un câble à fibre optique pour transmettre les grandes quantités de données de leurs antennes. Cette technologie permet des lignes de base de plusieurs dizaines de kilomètres de long. À ces distances et en fonction de la fréquence, le VLA peut atteindre une résolution de 0,04 seconde d'arc, ce qui est à peu près aussi précis que le télescope spatial Hubble.

L'interférométrie ne doit cependant pas s'arrêter là. Des lignes de base très longues, des centaines voire des milliers de kilomètres de long, sont possibles même lorsque les connexions par fibre optique ne sont pas pratiques. Dans ces cas, les astronomes enregistrent les signaux et codent les données en utilisant des horloges atomiques précises. Les données sont ensuite expédiées vers un emplacement central où les signaux peuvent être appariés, vague pour vague, par des ordinateurs spéciaux appelés corrélateurs. Tant que les signaux sont reçus en bon ordre sur tous les sites et sont correctement codés dans le temps, des résolutions extrêmes comme celles atteintes par l'EHT sont possibles. C'est, en principe, très simple, mais c'est intimidant dans la vraie vie.

Chaque antenne doit observer le même objet exactement au même moment et exactement à la même fréquence. De plus, chaque site doit avoir des conditions météorologiques appropriées pour des observations claires. Même dans ce cas, la cible des observations peut ne pas être visible ou n'être visible que par une partie des sites EHT.

Crédit d'image : NRAO/AUI/NSF J. Hellerman

Un trou noir au centre de la Voie lactée lance la radioastronomie

La radioastronomie a commencé au début des années 1930 lorsqu'un jeune ingénieur du nom de Karl Jansky a été chargé d'enquêter sur les sources d'interférences susceptibles d'entraver les communications radio transatlantiques à ondes courtes. À l'aide d'une simple antenne directionnelle, Jansky a découvert une source inattendue d'électricité statique provenant de la constellation du Sagittaire, qui se trouve dans la direction générale du centre de la Voie lactée. Cette découverte a été largement médiatisée, apparaissant dans le New York Times en 1933. Bien qu'il s'agisse d'une curiosité, peu de gens à l'époque y ont beaucoup réfléchi et personne n'a reconnu que cet étrange signal provenait d'un trou noir supermassif.

Avec les progrès de la technologie radio développés pendant la Seconde Guerre mondiale, les astronomes ont commencé à acquérir la sensibilité et la résolution nécessaires pour reprendre là où Jansky s'était arrêté et explorer le cosmos aux longueurs d'onde radio. Le premier étant l'astronome amateur et opérateur radioamateur Grote Reber.

En 1959, l'Observatoire national de radioastronomie de Green Bank, en Virginie-Occidentale, menait déjà une science pionnière avec un radiotélescope de 85 pieds de diamètre appelé le télescope Tatel. En 1964, le personnel scientifique y a construit un télescope jumeau de 85 pieds, intelligemment nommé 85-2. Ces deux antennes pourraient être liées – combinant le signal de l'une avec le signal de l'autre pour créer le premier interféromètre aux États-Unis. Contrairement aux interféromètres modernes qui utilisaient des signaux numérisés, l'expérience de Green Bank a utilisé un tube doublé de cuivre pour transmettre directement les signaux analogiques des antennes. En tirant 85-2 plus près ou plus loin, les astronomes pourraient changer la ligne de base de la paire, modifiant sa résolution.

Une troisième parabole de 85 pieds a été ajoutée en 1966, ainsi qu'une antenne portable de 45 pieds située à des distances allant jusqu'à 35 kilomètres et reliée aux trois autres éléments par une liaison radio. Cet interféromètre de banque verte est devenu le banc d'essai de ce qui allait devenir l'emblématique Very Large Array au Nouveau-Mexique.

L'interféromètre Green Bank (GBI) n'était cependant pas uniquement un banc d'essai VLA. C'était à lui seul un interféromètre à la pointe de la technologie. Plus particulièrement, à la mi-février 1974, le GBI a découvert une source intense et ponctuelle d'ondes radio provenant du cœur de notre Voie lactée, la source radio Sagittarius A*. C'était un objet incroyablement compact et bientôt déterminé à être un trou noir supermassif.

Le GBI a poursuivi ses observations scientifiques jusqu'en 1978. Parmi ses nombreux résultats, il y avait la première mesure radio qui a confirmé, avec une grande précision, la prédiction d'Einstein de la courbure de la lumière (c'est-à-dire de tout rayonnement électromagnétique) près d'un corps massif, communément appelé anneaux d'Einstein ou lentille gravitationnelle.

Avec le VLA, le Very Long Baseline Array et ALMA, les astronomes ont exploité le potentiel de l'interférométrie, produisant une nouvelle science à la fois indépendamment et en collaboration avec d'autres télescopes sur Terre et dans l'espace.

VLBI : le timing est essentiel

Les ondes radio d'objets célestes distants arrivent à différents points de la Terre à différents moments. Pour que VLBI fonctionne, ces ondes doivent être appariées onde pour onde à chaque station. Pour ce faire, l'EHT utilise des horloges atomiques ultra-précises, qui horodatent les données.

Plus tard, les données sont expédiées via des disques durs vers un emplacement centralisé où les astronomes combinent les signaux à l'aide d'un superordinateur connu sous le nom de corrélateur Corrélateur Un superordinateur spécialisé qui multiplie les données de deux antennes et fait la moyenne du résultat dans le temps. Essentiellement, le corrélateur sélectionne uniquement les données qui sont repérées et analysées par les deux antennes, ce qui signifie que les données qui ne sont pas repérées par les deux sont supprimées. pour créer efficacement un télescope de la taille de la Terre et produire des images remarquablement haute résolution.

Ce graphique illustre comment la lumière radio des objets cosmiques distants arrive aux différentes stations EHT à différents moments.

Crédit d'image : NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

VLA montre la puissance du trou noir supermassif dans M87

Bien avant l'EHT, les télescopes NRAO ont étudié le trou noir au cœur de M87.

En 1999, des chercheurs utilisant le radiotélescope Very Large Array (VLA) de la National Science Foundation ont imagé une "structure spectaculaire et complexe" de la galaxie M87, qui abrite en son cœur un trou noir supermassif crachant des jets de particules subatomiques à presque la vitesse de la lumière. et est également la galaxie centrale de l'amas de galaxies de la Vierge.

L'image VLA est la première à montrer les détails d'une structure plus grande qui a été initialement détectée par les radioastronomes il y a plus d'un demi-siècle. Les observations montrent deux grands lobes en forme de bulles, de plus de 200 000 années-lumière de diamètre, qui émettent des ondes radio. Ces lobes, qui sont minutieusement détaillés, sont apparemment alimentés par l'énergie gravitationnelle libérée par le trou noir au centre de la galaxie.

M87, découvert par l'astronome français Charles Messier en 1781, est l'objet radio-émetteur le plus puissant de la constellation de la Vierge. Son jet a été décrit par l'astronome de l'observatoire Lick Heber Curtis en 1918 comme « un curieux rayon rectiligne… apparemment connecté au noyau par une fine ligne de matière ». En 1954, Walter Baade rapporte que la lumière du jet est fortement polarisée. 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. from Earth. 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 Nature 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 Astronomy & Astrophysics (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 Astrophysical Journal.

L'Observatoire national de radioastronomie est une installation de la National Science Foundation, exploitée en vertu d'un accord de coopération par 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 milliard 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, juste 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. C'est un 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 des milliards 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. Crédit : 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 précession. 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 le Lettres de revues astrophysiques.

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 Schwarzschild radius 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.

Thank you for reading at the Oracle’s Library! Share your thoughts with a comment on the mysterious black hole.