Mitä mustan aukon kuva kertoo meille

Kun tiedemiehet 'valokuvasivat' näkymätöntä mustaa aukkoa: kuva vangitsee sitä ympäröivän alueen, joka on luotu kaukoputkijoukon keräämistä tiedoista, ja tarjoaa alustan mustien aukkojen ymmärtämiselle paremmin.

Ensimmäinen kuva mustasta aukosta. Kuvattu Event Horizon Telescope -projektilla. (Kuvan lähde: National Science Foundation)

Mustien aukkojen oletetaan olevan koko universumin pimeimpiä alueita. Ja kuitenkin, kun tiedemiehet ilmoittivat viime viikolla, että he olivat ensimmäistä kertaa pystyneet ottamaan valokuvan mustasta aukosta, heidän paljastama kuva oli kaikkea muuta kuin tumma. Se näytti kirkkaan oranssilta ja munkin muotoiselta kuvassa, josta tuli yksi yleisimmin levinneistä kuvista viimeisen viikon aikana. Kun valo ei pääse pakoon mustasta aukosta, miten valokuva syntyi ja mikä tekee saavutuksesta tärkeän?

Mitä kuva näyttää

Valokuvan pääkohde, 55 miljoonan valovuoden päässä Maasta, Messier 87 -nimisen galaksin keskustassa sijaitseva musta aukko, rajoittui kuvan donitsin muodon pieneen ja tummaan keskiytimeen, joka voidaan tunnistaa vain valoisa ympäristö, jonka se sisälle rajoitti. Tämä oli ainoa tapa, jolla musta aukko olisi voitu kuvata - vangitsemalla koko sitä ympäröivä alue. Musta aukko itsessään ei lähetä tai säteile valoa tai muita sähkömagneettisia aaltoja, jotka voidaan havaita ihmisten rakentamilla instrumenteilla. Mutta aivan mustan aukon rajan ulkopuolella oleva alue – jota kutsutaan tapahtumahorisontiksi – jossa on valtavia määriä kaasua, pilviä ja plasmaa kiihkeästi, säteilee kaikenlaista säteilyä, myös näkyvää valoa.

Selitetty: Tässä on musta aukko, ja miksi yhtäkään ei ole kuvattu aiemmin

Myöskään mustan aukon ulkopuolta ei ollut helppo kuvata. Kyseisen mustan aukon halkaisija oli 1,5 valopäivää eli noin 40 miljardia kilometriä. Mustan aukon ulkopuolella olevalla renkaalla on yleensä 4-5 kertaa suurempi leveys. Mutta erittäin suuri etäisyys Maasta tarkoitti, että pistekokoista kuvaa parempaa kuvaaminen ei ollut fyysisesti mahdollista käytettävissä olevilla instrumenteilla. Tiedemiehet olivat laskeneet, että suuremman resoluution kuva, kuten se, jonka he lopulta pystyivät ottamaan, vaati kaukoputken, jonka antenni oli yhtä suuri kuin maa itse.

Miksi sillä on väliä

Tiedemiehet ovat käyttäneet tietokonesimuloituja kuvia mustista aukoista useiden vuosien ajan tutkiakseen näitä alueita. Ensimmäistä kertaa heillä on todellinen kuva. Vaikka ne näyttävät melko samanlaisilta, tutkijat alkavat nyt tarkastella tarkasti todellista kuvaa nähdäkseen, eroaako se tietokonesimuloiduista kuvista yksityiskohdissa ja voidaanko nämä erot selittää instrumenteilla, havainnoilla tai muilla virheillä. Tämä voi tarjota testin olemassa oleville universumin teorioille ja johtaa parempaan ymmärrykseen mustista aukoista ja itse universumin luonteesta.

Mustan aukon valinta

Oli olemassa vaihtoehto M87-galaksin mustan aukon kuvaamiselle - yrittää kuvata mustaa aukkoa, joka oli paljon lähempänä. Paljon lähempänä maapalloa on tuhansia, mahdollisesti miljoonia mustia aukkoja, mutta jokaista mustaa aukkoa ei voida kuvata. Tiedemiehet etsivät tietyn kokoista mustaa aukkoa, joka on riittävän suuri, jotta se voidaan vangita maan päällä olevilla välineillä. M87-galaksin musta aukko on noin 6 miljardia kertaa Auringon kokoinen ja yksi suurimmista tunnetuista. Maata lähempänä ei ole vastaavan kokoista mustaa aukkoa.

Lue | Mustan aukon tapahtumahorisontin imago mahdollisti tämän MIT-tutkinnon suorittaneen opiskelijan työn ansiosta

Siitä huolimatta omassa Linnunradassamme oli ehdokas. Linnunradan keskellä sijaitseva Sagittarius A* -musta aukko on noin 4,3 miljoonaa kertaa Auringon kokoinen ja vain 25 000 valovuoden päässä Maasta. Se on noin 2 000 kertaa lähempänä Maata M87-galaksiin verrattuna, mutta myös noin 1 500 kertaa pienempi. Siksi kaksi ehdokasta mustaa aukkoa tarjosivat mittakaavassa samanlaisia ​​mahdollisuuksia valokuvata.

Teleskoopin pystyttäminen

Maan kokoista kaukoputkea ei voitu saada käyttöön. Niinpä tutkijoiden oli kehitettävä nerokkaita uusia menetelmiä voittamaan instrumenttiensa rajoitukset. He päättivät käyttää kahdeksaa maailman suurinta ja kehittyneintä radioteleskooppia ja yhdistävät ne tekniikkaan, joka saattaisi ne toimimaan kuin virtuaalinen Maan kokoinen kaukoputki. Teleskoopit tallensivat samanaikaisesti mustan aukon alueelta tulevaa säteilyä. Jokainen teleskooppi oli varustettu atomikelloilla, jotta niiden tallenteet voitiin myöhemmin sovittaa äärimmäisen tarkasti.

Lue myös | Mustan aukon tapahtumahorisontti: Tältä se näyttää

Yksittäiset teleskoopit keräsivät kukin mustan aukon alueelta tulevan säteilyn. Mutta kokorajoitusten vuoksi heillä kaikilla oli vain hyvin vähän tietoa mustasta aukosta. Kunkin näiden kaukoputkien tallentamien tietojen täsmääminen tarkalla ajanhetkellä antoi tutkijoille enemmän tietoa, mutta mitään ei voitu tehdä valtavalle tietomäärälle, jota nämä teleskoopit eivät pystyneet kaappaamaan.

Kuvan rakentaminen tiedoista

Täällä tutkijat ottivat supertietokoneiden avun luodakseen täydellisen kuvan mustasta aukosta kaukoputkien tallentamien rajallisten tietojen avulla. Kokonaisten kuvien uudelleenrakentaminen rajoitetuilla tiedoilla ei ole epätavallista. Pakkaustekniikat, joita käytämme pienentämään tietokoneillamme olevien musiikki-, kuva- tai videotiedostojen kokoa, toimivat samanlaisilla periaatteilla. Heitämme pois paljon tietoa samalla kun pienennämme kokoa, mutta tietokone pystyy silti luomaan musiikin tai videon uudelleen, vaikkakin laatu heikkenee.

Tietenkin mustan aukon kuvan parissa työskentelevien tutkijoiden haaste oli monimutkaisempi kuin tiedostojen pakkaamiseen käytetyt tekniikat. Heillä oli käsiteltävänä valtava määrä dataa, mutta silti äärimmäisen vähän suoraan säteilystä saatua tietoa. Siksi ei ole yllättävää, että heidän piti kirjoittaa täysin uusia algoritmeja käyttämällä uraauurtavia lähestymistapoja kuvan luomiseksi.

Tämän seurauksena tietokone olisi voinut tuottaa suuren määrän pikseleitä maailmalle esitellyssä valokuvassa. Mutta ne luotiin käyttämällä pikseleissä olevia tietoja, jotka olivat seurausta kaukoputkien suorasta havainnosta, sen sijaan, että ne olisi tuotettu matemaattisista malleista, kuten tapahtuu tietokonesimuloiduissa kuvissa.

Kesti kaksi vuotta, ennen kuin eräät maailman nopeimmista supertietokoneista käsittelivät valtavan datamäärän ja loivat kuvan M87-galaksin mustasta aukosta. Valokuvaa Sagittarius A* mustasta aukosta ei ole vielä julkaistu, ilmeisesti siksi, että kuva ei ole vielä valmis.

Jaa Ystäviesi Kanssa: