Πώς έγινε η συνεργασία για την πρώτη εικόνα της μαύρης τρύπας στον γαλαξία M87

στις

Μια διεθνής ομάδα άνω των 200 αστρονόμων κατέγραψε τις πρώτες άμεσες εικόνες της σκιάς της διάσημης μαύρης τρύπας στον γαλαξία M87.  Έκαναν αυτό το αξιοσημείωτο επίτευγμα, συντονίζοντας τη δύναμη οκτώ μεγάλων ραδιο-παρατηρητηρίων σε τέσσερις ηπείρους, για να δουλέψουν μαζί ως ένα εικονικό τηλεσκόπιο μεγέθους της Γης. Οι επιστήμονες εξήγησαν ότι κατάφεραν να αποκαλύψουν την πρώτη άμεση οπτική απόδειξη της υπερβαρέας μαύρης τρύπας στο κέντρο του Messier 87 και της σκιάς του.

focus_figure_2_resized

Χάρτης του EHT. Οι σταθμοί που λειτουργούσαν το 2017 και το 2018 εμφανίζονται με γραμμές σύνδεσης και φέρουν ετικέτα σε κίτρινο χρώμα, οι τοποθεσίες για προμήθεια δεδομένων φέρουν ετικέτες πράσινου χρώματος και οι τοποθεσίες παλαιού τύπου σημειώνονται με κόκκινο χρώμα.

Και οι τέσσερις εικόνες που δόθηκαν στη δημοσιότητα δείχνουν μια κεντρική σκοτεινή περιοχή που περιβάλλεται από ένα δαχτυλίδι φωτός που εμφανίζεται πιο ανοιχτό – φωτεινότερο στη μία του πλευρά από την άλλη.

Ο Albert Einstein, στη θεωρία της γενικής σχετικότητας, προέβλεψε την ύπαρξη μαύρων οπών, με τη μορφή άπειρων πυκνών, συμπαγών περιοχών στο χώρο, όπου η βαρύτητα είναι τόσο ακραία ώστε τίποτα, ούτε το φως, δεν μπορεί να ξεφύγει από μέσα. Εξ ορισμού, οι μαύρες τρύπες είναι αόρατες. Αλλά αν μια μαύρη τρύπα περιβάλλεται από υλικό που εκπέμπει φως, όπως το πλάσμα, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν προβλέπουν ότι ένα μέρος αυτού του υλικού θα πρέπει να δημιουργήσει μια «σκιά» ή περίγραμμα της μαύρης τρύπας και των ορίων της, γνωστή και ως ορίζοντας γεγονότος.

Με βάση τις νέες εικόνες του M87, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι βλέπουν τη σκιά μαύρης τρύπας για πρώτη φορά, με τη μορφή της σκοτεινής περιοχής στο κέντρο κάθε εικόνας.

Η σχετικότητα προβλέπει ότι το τεράστιο πεδίο βαρύτητας θα προκαλέσει κάμψη του φωτός γύρω από τη μαύρη τρύπα, σχηματίζοντας ένα φωτεινό δακτύλιο γύρω από τη σιλουέτα του,  και επίσης αναγκάζει το περιβάλλον υλικό να στρέφεται γύρω από το αντικείμενο κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Ο λαμπερός δακτύλιος στις νέες εικόνες προσφέρει οπτική επιβεβαίωση αυτών των αποτελεσμάτων: Το υλικό  κατευθύνεται προς τη μια πλευρά (ένα πλεονεκτικό σημείο θέασης) καθώς αυτό περιστρέφεται και φαίνεται έτσι πιο φωτεινό από ότι η άλλη πλευρά.

Το γιγάντιο σαν τη Γη ραδιοτηλεσκόπιο

Οι εικόνες τραβήχτηκαν από το Telescope Horizon Event ή το EHT, μια πλατφόρμα που περιλαμβάνει οκτώ ραδιοτηλεσκόπια, το καθένα σε απομακρυσμένο περιβάλλον υψηλού υψόμετρου, συμπεριλαμβανομένων των κορυφών της Χαβάης, της Σιέρα Νεβάδα της Ισπανίας, της χιλιανής ερήμου και της Ανταρκτικής.

m87-black-hole-first-image

Η άκρη του μαύρου κύκλου στο κέντρο είναι το σημείο στο οποίο το αέριο εισέρχεται στη μαύρη τρύπα, το οποίο είναι ένα αντικείμενο που έχει τόσο μεγάλη βαρυτική έλξη, ούτε και το φως μπορεί να διαφύγει.

Σε οποιαδήποτε δεδομένη ημέρα, κάθε τηλεσκόπιο λειτουργεί ανεξάρτητα, παρατηρώντας αστροφυσικά αντικείμενα που εκπέμπουν εξασθενημένα ραδιοκύματα. Ωστόσο, μια μαύρη τρύπα είναι απείρως μικρότερη και πιο σκούρα από οποιαδήποτε άλλη ραδιοφωνική πηγή στον ουρανό. Για να το πούμε ξεκάθαρα, οι αστρονόμοι πρέπει να χρησιμοποιούν πολύ μικρά μήκη κύματος – στην περίπτωση αυτή, 1,3 χιλιοστά – που μπορούν να διαπεράσουν τα σύννεφα του υλικού ανάμεσα σε μια μαύρη τρύπα και τη Γη.

Η δημιουργία της εικόνας μιας μαύρης τρύπας απαιτεί επίσης μια μεγέθυνση, ή «γωνιακή ανάλυση», που ισοδυναμεί με την ανάγνωση ενός κειμένου σε ένα τηλέφωνο στη Νέα Υόρκη από μια καφετέρια στο πεζοδρόμιο στο Παρίσι. Η γωνιακή ανάλυση ενός τηλεσκοπίου αυξάνεται με το μέγεθος του πιάτου υποδοχής του. Ωστόσο, ακόμη και τα μεγαλύτερα ραδιοτηλεσκόπια στη Γη δεν είναι τόσο αρκετά μεγάλα για να δουν μια μαύρη τρύπα.

Αλλά όταν πολλά ραδιοτηλεσκόπια, χωρισμένα σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, συγχρονίζονται και επικεντρώνονται σε μία μόνο πηγή στον ουρανό, μπορούν να λειτουργήσουν ως ένα πολύ μεγάλο ραδιοφωνικό πιάτο, μέσω μιας τεχνικής γνωστής ως Πολύ Μακράς Βάσης Συμβολόμετρο ή VLBI. Η συνδυασμένη γωνιακή τους ανάλυση έχει ως αποτέλεσμα να βελτιωθεί σημαντικά η ανάλυση.

Για το EHT, τα οκτώ συμμετέχοντα τηλεσκόπια συνεργάστηκαν φτιάχνοντας ένα εικονικό ραδιοφωνικό πιάτο τόσο μεγάλο όσο η Γη, με την ικανότητα να αναλύει ένα αντικείμενο έως 20 μικροδευτερόλεπτα – περίπου 3 εκατομμύρια φορές πιο ορατό από ό, τι η θέαση 20/20. Με μια ευτυχή σύμπτωση, πρόκειται για την ακρίβεια που απαιτείται για να δείτε μια μαύρη τρύπα, σύμφωνα με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν.

«Η φύση ήταν ευγενική σε εμάς και μας έδωσε κάτι αρκετά μεγάλο για να το δούμε χρησιμοποιώντας σύγχρονους εξοπλισμούς και τεχνικές», λέει ο Geoffrey Crew, συμπρωταγωνιστής της ομάδας εργασίας του EHT και της ομάδας VLBI του Παρατηρητηρίου ALMA.

Σφάλματα δεδομένων

Στις 5 Απριλίου 2017, το EHT άρχισε να παρατηρεί το M87. Μετά από διαβούλευση για τις καιρικές προβλέψεις, οι αστρονόμοι εντόπισαν τέσσερις νύχτες που θα παρήγαγαν καθαρές συνθήκες για τα οκτώ παρατηρητήρια – μια σπάνια ευκαιρία, κατά την οποία θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως ένα κοινό πιάτο για να παρατηρήσουν τη μαύρη τρύπα.

Στη ραδιοαστρονομία, τα τηλεσκόπια ανιχνεύουν ραδιοκύματα, σε συχνότητες που καταγράφουν τα εισερχόμενα φωτόνια ως κύμα, με εύρος και φάση που μετριέται ως τάση. Όπως παρατηρούσαν το M87, κάθε τηλεσκόπιο πήρε δεδομένα με τη μορφή τάσεων, που εκπροσωπούνταν ως ψηφιακοί αριθμοί.

«Καταγράφουμε συγκεντρωτικά δεδομένα – petabytes δεδομένων για κάθε σταθμό», λέει η ομάδα.

Συνολικά, κάθε τηλεσκόπιο πήρε περίπου ένα petabyte δεδομένων, ίσο με 1 εκατομμύριο gigabytes. Κάθε σταθμός κατέγραψε αυτή την τεράστια εισροή που έφτασε σε αρκετές μονάδες Mark6 – συσκευές καταγραφής ταχύτητας που αναπτύχθηκαν αρχικά στο Παρατηρητήριο Haystack.

Μετά την ολοκλήρωση της παρατήρησης, οι ερευνητές σε κάθε σταθμό συγκέντρωσαν τη στοίβα των σκληρών δίσκων και τα μετέφεραν μέσω της εταιρείας FedEx στο Haystack Observatory, στη Μασαχουσέτη, και στο Ινστιτούτο Max Planck για τη ραδιοαστρονομία στη Γερμανία. (Οι αεροπορικές μεταφορές ήταν πολύ γρηγορότερες από τη μετάδοση των δεδομένων ηλεκτρονικά.) Και στις δύο θέσεις, τα δεδομένα αναπαράχθηκαν σε έναν εξειδικευμένο υπερυπολογιστή που ονομάζεται συσχετιστής, ο οποίος επεξεργάστηκε τα δεδομένα κατά δύο ροές κάθε φορά.

Καθώς κάθε τηλεσκόπιο καταλαμβάνει διαφορετική θέση στο εικονικό ραδιοφωνικό πιάτο του EHT, έχει μια ελαφρώς διαφορετική άποψη του αντικειμένου – στην περίπτωση αυτή, το M87. Τα δεδομένα που λαμβάνονται από δύο ξεχωριστά τηλεσκόπια μπορούν να κωδικοποιήσουν ένα παρόμοιο σήμα της μαύρης τρύπας αλλά επίσης να περιέχουν θόρυβο το οποίο είναι ειδικό για τα αντίστοιχα τηλεσκόπια.

Ο συσχετιστής ευθυγραμμίζει τα δεδομένα από κάθε πιθανό ζευγάρι των οκτώ τηλεσκοπίων του EHT. Από αυτές τις συγκρίσεις, μαθηματικά εξαλείφει το θόρυβο και επιλέγει το σήμα της μαύρης τρύπας. Υψηλής ακρίβειας ατομικά ρολόγια που έχουν εγκατασταθεί επιτρέπουν στους αναλυτές να ταιριάζουν τους χρόνους με τις ροές δεδομένων μετά το γεγονός.

Οι ομάδες τόσο στο Haystack όσο και στο Max Planck άρχισαν τότε την επίπονη διαδικασία της «συσχέτισης» των δεδομένων, εντοπίζοντας μια σειρά προβλημάτων στα διάφορα τηλεσκόπια, καθορίζοντάς τα και επαναλαμβάνοντας τη συσχέτιση, μέχρι να επαληθευτούν αυστηρά τα δεδομένα. Μόνο τότε τα δεδομένα κυκλοφόρησαν σε τέσσερις ξεχωριστές ομάδες σε όλο τον κόσμο, με στόχο την παραγωγή μιας εικόνας από τα δεδομένα χρησιμοποιώντας ανεξάρτητες τεχνικές.

«Ήταν η δεύτερη εβδομάδα του Ιουνίου και θυμάμαι ότι δεν είχα κοιμηθεί τη νύχτα πριν από την κυκλοφορία των δεδομένων, για να είμαι σίγουρος ότι ήμουν προετοιμασμένος», λέει ο Kazunori Akiyama, συν-επικεφαλής της ομάδας απεικόνισης του EHT και ένας postdoc που εργάζεται στο Haystack.

Και οι τέσσερις ομάδες απεικόνισης είχαν προηγουμένως δοκιμάσει τους αλγορίθμους τους σε άλλα αστροφυσικά αντικείμενα, διασφαλίζοντας ότι οι τεχνικές τους θα παρήγαγαν μια ακριβή οπτική αναπαράσταση των ραδιοφωνικών δεδομένων. Όταν κυκλοφόρησαν τα αρχεία, ο Akiyama και οι συνάδελφοί του έσπευσαν άμεσα να τρέξουν τα δεδομένα μέσω των αντίστοιχων αλγορίθμων τους. Είναι σημαντικό ότι κάθε ομάδα το έκανε ανεξάρτητα από τους άλλους, για να αποφύγει τυχόν ομαδική προκατάληψη στα αποτελέσματα.

«Η πρώτη εικόνα που παρήγαγε η ομάδα μας ήταν ελαφρώς θολή, αλλά είδαμε αυτή την εκπομπή σαν δακτύλιο και ήμουν τόσο ενθουσιασμένος εκείνη τη στιγμή» θυμάται ο Akiyama. «Αλλά ταυτόχρονα ανησυχούσα ότι ίσως ήμουν ο μόνος άνθρωπος που έβλεπα αυτή την εικόνα της μαύρης τρύπας.»

Η ανησυχία του ήταν σύντομη. Λίγο αργότερα, οι τέσσερις ομάδες συναντήθηκαν στην πρωτοβουλία Black Hole Initiative του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ για να συγκρίνουν τις εικόνες και βρήκαν με κάποια ανακούφιση και με μεγάλη ευχαρίστηση και χειροκρότημα ότι όλα παρήγαγαν την ίδια δομή, από μια μαύρη τρύπα.

«Υπήρξαν τρόποι να βρεθούν υπογραφές μαύρων τρυπών στην αστρονομία, αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που κάποιος έλαβε ποτέ μια φωτογραφία ενός», λέει η ομάδα. «Αυτή είναι μια κρίσιμη στιγμή.»

Πηγή

Ιδιότητες μαύρης τρύπας

Η μαύρη τρύπα περιβάλλεται από ένα φωτοστέφανο (άλως) φωτεινού αερίου που έλκεται από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας, η οποία βρίσκεται σε ένα μακρινό γαλαξία τον M87. Η εικόνα δείχνει ένα έντονα φωτεινό «πύρινο δαχτυλίδι», που περιβάλλει μια τέλεια κυκλική σκοτεινή οπή. Το λαμπρό φωτοστέφανο προκαλείται από το υπερθερμανθέν αέριο που πέφτει μέσα στην τρύπα. Το φως αυτό είναι φωτεινότερο από όλα μαζί τα δισεκατομμύρια άλλα αστέρια στον γαλαξία – γι ‘αυτό μπορούμε να το δούμε σε τέτοια απόσταση από τη Γη.

m87-black-hole-first-image

Η άκρη του μαύρου κύκλου στο κέντρο είναι το σημείο στο οποίο το αέριο εισέρχεται στη μαύρη τρύπα, το οποίο είναι ένα αντικείμενο που έχει τόσο μεγάλη βαρυτική έλξη, ούτε και το φως μπορεί να διαφύγει.

Η θηριώδης μαύρη τρύπα που απέχει περίπου 55 εκατομμύρια έτη φωτός βρίσκεται βαθιά μέσα στον γαλαξία M87 που έχει ακτίνα 60.000 έτη φωτός. Για σύγκριση ο δικός μας γαλαξίας έχει ακτίνα πάνω από 100.000 έτη φωτός.

Έχει διαστάσεις 40 δις χιλιόμετρα ή τρία εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος της Γης – και έχει περιγραφεί από τους επιστήμονες ως «τέρας», η δε μάζα της είναι 6,5 δισ. φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο.

Αυτή η περίεργη μικροσκοπική κουκίδα καταγράφει τόσες στροφές μέσα στο χώρο, ώστε ακόμα και το φως στερείται επιτάχυνσης για να ανταγωνιστεί με αυτό.  Για να έχει κάποιος μια ελπίδα διαφυγής από τη δύναμη της μαύρης τρύπας, θα πρέπει να απέχει περίπου 18.000.000.000 χιλιόμετρα μακριά. Ή περίπου 122 φορές την απόσταση μεταξύ της Γης και του Ήλιου. Οποιοσδήποτε ή οτιδήποτε βρεθεί πιο κοντά, υποκύπτει στην μοίρα  που του επιφυλάσσει η μαύρη τρύπα.

Εκτός αυτού του ορίου ελπίδας, η ύλη στροβιλίζεται όλο και πιο κοντά στη λήθη, με ρυθμό που προσεγγίζει το ανώτατο όριο ταχύτητας του Σύμπαντος, εξαπλώνοντας την ακτινοβολία καθώς κινείται.

Η κεντρική σκοτεινή περιοχή περιβάλλει τον ορίζοντα γεγονότων (το σημείο μη επιστροφής για όλα τα αντικείμενα) στο εσωτερικό του οποίου βρίσκεται η «σκοτεινή» ιδιομορφία.

Όπως μετρήθηκε από τους ερευνητές ο σκοτεινός χώρος είναι 2,5 φορές μεγαλύτερος στη διάμετρο από τον ορίζοντα γεγονότων.

Η ασυμμετρία των φωτεινών και σκοτεινών τμημάτων του δακτυλίου προκαλείται από το φαινόμενο Doppler καθώς η ύλη έρχεται προς τη Γη (φωτεινότερο) ή υποχωρεί (εξασθενημένο). Τα χρώματα επιλέχτηκαν για να τονίσουν τις διαφορές στον δακτύλιο.

Η μαύρη τρύπα απέχει 500 εκατομμύρια τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα και φωτογραφήθηκε από ένα δίκτυο οκτώ τηλεσκοπίων σε όλο τον κόσμο.

Έχει μάζα 6,5 δισεκατομμυρίων φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου και είναι μία από τις βαρύτερες μαύρες τρύπες που θεωρούμε ότι υπάρχουν. Είναι ένα απόλυτο τέρας, ο βαρέων βαρών πρωτοπόρος των μαύρων οπών μέσα στο Σύμπαν.

Τις εικόνες παρουσίασε η συνεργασία ραδιοτηλεσκοπίων Event Horizon Telescope που αποτελείται από ένα δίκτυο τηλεσκοπίων σε διάφορα μέρη του κόσμου. Η διασύνδεση των τηλεσκοπίων ισοδυναμεί με ένα τεράστιο εικονικό τηλεσκόπιο με μέγεθος σχεδόν όσο η Γη. Με αυτό τον τρόπο, δημιουργείται αρκετή δυνατότητα μεγέθυνσης, ώστε να απεικονισθεί η περιοχή γύρω από μια μαύρη τρύπα, ιδίως του λεγόμενου «ορίζοντα γεγονότων», δηλαδή της «περιμέτρου» πέρα από την οποία τίποτε δεν μπορεί να δραπετεύσει. Αυτό που ανιχνεύει το υπερ-τηλεσκόπιο Event Horizon είναι η ακτινοβολία που εκπέμπει η μαύρη τρύπα, καθώς οι διεργασίες που εξελίσσονται εντός της προϋποθέτουν θερμοκρασίες που μετρώνται σε δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Τα επιμέρους τηλεσκόπια συγκεντρώνουν δεδομένα από την παρατήρηση, τα οποία κατόπιν τροφοδοτούνται σε πανίσχυρους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η Τεχνητή Νοημοσύνη αναλαμβάνει να επεξεργαστεί τάχιστα ωκεανούς πληροφοριών και να συνθέσει εικόνες. Αυτές είναι και οι «φωτογραφίες» από την μαύρη τρύπα Μ87* που αποκαλύπτονται σήμερα.

blackhole-solarsystemΣύγκριση της μαύρης οπής στον γαλαξία Μ87 που φωτογραφήθηκε πρόσφατα με το δικό μας ηλιακό σύστημα. Την δημιούργησε ο Αμερικανός καρτουνίστας, γελοιογράφος, συγγραφέας, μηχανικός και  επιστήμονας θεωρητικός Randall Patrick Munroe (1984). 

katie-bouman

5 εκατομμύρια gigabytes data για την εικόνα της μαύρης τρύπας.