Stjörnufræðingar taka fyrstu ljósmyndina af svartholi
Sævar Helgi Bragason
10. apr. 2019
Fréttir
ESO, ALMA og APEX taka þátt í tímamótamælingum á risasvartholinu í vetrarbrautinni Messier 87
Event Horizon Telescope (EHT) eða Sjóndeildarsjónaukinn – risaröð átta samtengdra útvarpssjónauka – var búinn til til þess að taka mynd af svartholi. Á blaðamannafundum sem haldnir voru víða um heim í dag tilkynntu stjörnufræðingar við EHT að sjónaukinn hefði skilað tilætluðum árangri og fangað fyrstu beinu og sýnilegu sönnunargögnin fyrir risasvartholi og skugga þess.
Tilkynnt var um þessa sögulegu uppgötvun í dag í sex greinum sem birtar voru í sérstöku hefti Astrophysical Journal Letters. Á myndinni sést svartholið í miðju Messier 87 [1], risasporvöluvetrarbraut í miðju Meyjarþyrpingarinnar. Svartholið er í 55 milljón ljósára fjarlægð frá Jörðinni og er 6,5 milljörðum sinnum massameira en sólin okkar [2].
EHT tengir saman sjónauka víða um heim og myndar þannig einn risavaxinn sjónauka á stærð við Jörðina [3]. EHT færir vísindamönnum nýja leið til að rannsaka öfgakenndustu fyrirbærin í alheiminum sem almenna afstæðiskenning Einsteins spáir fyrir um. Öld er nú liðiðn frá því að önnur söguleg tilraun var gerð sem staðfesti kenninguna [4].
„Við höfum tekið fyrstu ljósmyndina af svartholi,“ sagði Sheperd S. Doeleman, verkefnisstjóri EHT hjá Center for Astrophysics við Harvard-Smithsonian. „Þetta er stórkostlegt vísindalegt afrek og afrakstur vinnu meira en 200 vísindamanna.“
Svarthol eru gríðarlega massamikil en um leið lítil, framandi fyrirbæri. Þau hafa áhrif á umhverfi sitt með mjög öfgakenndum hætti því þau bjaga tímarúmið og ofurhita efni í sínu næsta nágrenni.
„Ef glóandi gasskífa umlykur svarthol, þá búumst við við því að svartholið framkalli dökkleitt svæði, svipað og skuggi – nokkuð sem almenna afstæðiskenning Einsteins spáir fyrir um en við höfum aldrei séð áður,“ sagði Heino Falcke, yfirmaður EHT vísindaráðsins við Radboud-háskóla í Hollandi. „Skugginn myndast þegar sjóndeild svartholsins sveigir, beygir og fangar ljós. Stærð skuggans gerir okkur kleift að mæla hinn mikla massa svartholsins í M87.“
Ýmsum aðferðum var beitt við kvörðun og myndatökurnar en þær leiddu í ljós hringlaga form og dökkt svæði í miðjunni – skugga svartholsins – sem kom fram mælingum EHT.
„Þegar við vorum viss um að við hefðum fangað skugga svartholsins á mynd, gátum við borið mælingar okkar saman við tölvuútreikninga sem fólu meðal annars í sér eðlisfræði sveigðs tímarúms, ofurheitt efni og sterk segulsvið. Margt af því sem við sáum á myndinni passaði við ótrúlega vel við fræðilegan skilning okkar,“ sagði Paul T.P. Ho, stjórnarmaður í EHT og forstöðumaður East Asian Observatory. „Það rennir stoðum undir túlkun okkar á mælingunum, þar á meðal mati okkar á massa svartholsins,“
„Það er ávallt áhrifarík stund fyrir kenningasmiði að etja saman kenningum og mælingum. Það var því léttir og stolt að sjá að mælingarnar pössuðu svona vel við spárnar,“ sagði Luciano Rezzolla, stjórnarmaður EHT við Goethe Universität í Þýskalandi.
Geysiflókið var að koma EHT á laggirnar. Sú vinna krafðist uppfærslna og samtengingu átta sjónauka um víða veröld á mjög mismunandi athugunarstöðum, til að mynda á eldfjallatindum Hawaii og Mexíkó og fjallstindum í Arizona og Sierra Nevada á Spáni, Atacama-eyðimörkinni í Chile og Suðurheimskautinu.
Mælingar EHT voru gerðar með tækni sem kallast very-long baselane interferometry (VLBI), sem kalla mætti víxlmælingar með langri grunnlínu á íslensku. Í þessari aðferð eru sjónaukar um allan heim samstilltir og nýta sér snúning jarðar til að mynda einn stóran sjónauka á stærð við jörðina sem mælir 1,3mm bylgjulengd. VLBI geriði EHT kleift að ná 20 míkróbogsekúndna upplausn. Það er eins og að lesa dagblað í Miami með sjónauka í Reykjavík [5].
Samtengdir sjónaukar sem mynda Event Horizon Telescope. Mynd: ESO/L. Calçada
Sjónaukarnir sem notaðir voru í rannsókninni eru ALMA, APEX, og 30 metra IRAM sjónaukinn, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope, og South Pole Telescope [6]. Petabæti af gögnum frá sjónaukunum voru sameinuðu í sérútbúnum ofurtölvum í Max Planck Institute for Radio Astrnomy og MIT Haystack Observatory.
Evrópskar stjörnustöðvar og fjármagn frá evrópskra rannsóknarráðinu léku lykilhlutverk í þessu hnattræna átaki. Þar skipti sér í lagi 14 milljón evra styrkur fyrir BlackHoleCam verkefnið [7] miklu máli. Stuðningur frá ESO, IRAM og Max Planck Society skipti líka sköpum. „Niðurstöðurnar byggja á áratuga langri reynslu Evrópu í millímetra-stjörnufræði,“ sagði Karl Schuster, yfirmaður IRAM og meðlimur í stjórn EHT.
Smíði EHT og mælingarnar, sem kynntar voru í dag, eru hápunkturinn í vinnu við tækniþróun og mælingar sem staðið hafa yfir í áratug. Alþjóðleg samvinna eins og þessi krefst náins samstarfs vísindamanna um víða veröld. Þrettan stofnanir, með stuðningi fjölda samta, stóðu að því að búa EHT til, bæði með nýrri tækni en líka uppfærslu á þeim búnaði sem til var fyrir. Lykilfjármagn fékkst frá National Science Foundation (NSF) í Bandaríkjunum, evrópska rannsóknarráðinu (ERC) og stofnunum í austurhluta Asíu [8].
„ESO er hæstánægt með sitt framlag í uppgötvuninni, að hafa gengt forystuhlutverki í Evrópu og að sjónaukar samtakanna í Chile, ALMA og APEX, voru notaðir í ETH,“ sagði Xavier Barcons, framkvæmdarstjóri ESO. „ALMA er næmasta mælitækið í EHT en loftnetin 66 skiptu sköpum í árangri EHT.“
„Okkur hefur tekist nokkuð sem talið var ómögulegt fyrir ekki svo ýkja löngu,“ sagði Doeleman. „Tækniframfarir, tengingar milli bestu útvarpssjónauka heims og ný reiknirit urðu til þess að alveg nýr gluggi í rannsóknum svartholum og sjóndeild þeirra hefur verið opnaður.“
Skýringar
[1] Skuggi svarthols er það næsta sem við komumst því að taka mynd af svartholinu sjálfu. Svarthol eru enda algerlega dimm fyrirbæri því ljós sleppur ekki burt frá þei. Sjóndeildinn – Jaðar eða mörk svarthols sem EHT sjónaukinn dregur nafn sitt af – er um 2,5 sinnum minni en skugginn sem hún varpar. Svartholið eða sjóndeildin er rétt innan við 40 milljarðar kílómetra í þvermál. Svartholið er því sjö sinnum stærra en vegalengdin milli sólar og Plútós.
[2] Risasvarthol eru tiltölulega lítil í stjarnfræðilegum sklningi, svo ómögulegt var að taka myndir af þeim fyrr en nú. Stærð sjóndeildar svarthols er í hlutfalli við massa þess. Því massameira sem svartholið er, því stærri er sjóndeildin og þá skugginn. Vegna gífurlegs massa svartholsins í M87, sem og nálægðar við Jörðina, var því spáð að það væri eitt hið stærsta sem hægt væri að mæla frá Jörðinni. Þess vegna var aðalviðfangsefni EHT.
[3] Þótt sjónaukarnir séu ekki tengdir beint saman er hægt að samstilla mælingar allra með hjálp atómklukka – vetnismeysa– sem tímasetja mælingarnar hárnákvæmlega. Gerðar voru mælingar á ljósi með 1,3mm bylgjulengd árið 2017. Hver EHT sjónauki safnaði gríðarmiklum gögnum – um 350 terabætum á dag – og voru þau geymd á helíumfylltum hörðum diskum. Þeir voru síðan fluttir í sérstakar ofurtölvur í Max Planck Institute for Radio Astronomy og MIT Haystack Observatory þar sem þau voru sameinuð. Við gagnaúrvinnslu var úbúin ljósmynd með hjálp reikniforrita sem voru þróuð í samstarfinu.
[4] Fyrir hundrað árum fóru vísindamenn í tvo leiðangra til eyjarinnar Principe undan ströndum Afríku og Sobral í Brasilíu til að fylgjast með sólmyrkvanum 1919. Markmiðið var að prófa almennu afstæðiskenninguna og kanna hvort ljós frá stjörnu beygði af leið vegna sveigju tímarúmsins af völdum sólarinnar, einst og Einstein spáði fyrir um. Tæpri öld síðar héldu vísindamenn í EHT samstarfinu í leiðangra á hæstu tinda heims til að mæla áhrif þyngdarkraftsins á ný, nú af völdum risasvarthola.
[5] East Asian Observatory (EAO) heldur utan um þátttöku ýmissa ríkja í Asíu í EHT, þar á meðal Kína, Japan, Kóreu, Taívan, Víetnam, Tælandi, Malasíu, Indlandi og Indónesíu.
[6] EHT sjónaukinn verður enn betri í framtíðinni þegar mælingar frá IRAM NOEMA stjörnustöðinni, Greenland Telescope og Kitt Peak Telescope bætast við.
[7] ALMA er samstarfsverkefni European Southern Observatory (ESO; Evrópu, sem heldur utan um þátttöku aðildaríkjanna),National Science Foundation (NSF) í Bandaríkjunum og National Institutes of Natural Sciences (NINS) í Japan, auk National Research Council (Kanada), Ministry of Science and Technology (MOST; Taívan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taívan), og Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Suður-Kórea), í samvinnu við Chile. APEX er rekið af ESO, 30-metra sjónaukinn er starfræktur af IRAM (IRAM Partner Organizations eru MPG (Þýskalandi), CNRS (Frakklandi) og IGN (Spáni), James Clerk Maxwell Telescope er starfræktur af EAO, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano er starfræktur af INAOE og UMass, Submillimeter Array er starfræktur af SAO og ASIAA og Submillimeter Telescope er starfræktur af Arizona Radio Observatory (ARO). South Pole Telescope er starfræktur af University of Chicago og sérútbúin EHT mælitæki komu frá University of Arizona.
[8] BlackHoleCam er evrópskt rannsóknarverkefni sem snýst um að taka myndir af, mæla og skilja svarthol. Meginmarkmið BlackHoleCam og Event Horizon Telescope (EHT) er að taka fyrstu ljósmyndirnar af milljarða sólmassa risasvartholinu í vetrarbrautinni M87, sem og risasvartholinu í miðju okkar Vetrarbrautar, Sagittarius A*. Þettta gerir okkur kleift að mæla sveigju tímarúmsins af völdum svartholsins með mikilli nákvæmni.
Stjörnufræðingar taka fyrstu ljósmyndina af svartholi
Sævar Helgi Bragason 10. apr. 2019 Fréttir
ESO, ALMA og APEX taka þátt í tímamótamælingum á risasvartholinu í vetrarbrautinni Messier 87
Event Horizon Telescope (EHT) eða Sjóndeildarsjónaukinn – risaröð átta samtengdra útvarpssjónauka – var búinn til til þess að taka mynd af svartholi. Á blaðamannafundum sem haldnir voru víða um heim í dag tilkynntu stjörnufræðingar við EHT að sjónaukinn hefði skilað tilætluðum árangri og fangað fyrstu beinu og sýnilegu sönnunargögnin fyrir risasvartholi og skugga þess.
Tilkynnt var um þessa sögulegu uppgötvun í dag í sex greinum sem birtar voru í sérstöku hefti Astrophysical Journal Letters. Á myndinni sést svartholið í miðju Messier 87 [1], risasporvöluvetrarbraut í miðju Meyjarþyrpingarinnar. Svartholið er í 55 milljón ljósára fjarlægð frá Jörðinni og er 6,5 milljörðum sinnum massameira en sólin okkar [2].
EHT tengir saman sjónauka víða um heim og myndar þannig einn risavaxinn sjónauka á stærð við Jörðina [3]. EHT færir vísindamönnum nýja leið til að rannsaka öfgakenndustu fyrirbærin í alheiminum sem almenna afstæðiskenning Einsteins spáir fyrir um. Öld er nú liðiðn frá því að önnur söguleg tilraun var gerð sem staðfesti kenninguna [4].
„Við höfum tekið fyrstu ljósmyndina af svartholi,“ sagði Sheperd S. Doeleman, verkefnisstjóri EHT hjá Center for Astrophysics við Harvard-Smithsonian. „Þetta er stórkostlegt vísindalegt afrek og afrakstur vinnu meira en 200 vísindamanna.“
Svarthol eru gríðarlega massamikil en um leið lítil, framandi fyrirbæri. Þau hafa áhrif á umhverfi sitt með mjög öfgakenndum hætti því þau bjaga tímarúmið og ofurhita efni í sínu næsta nágrenni.
„Ef glóandi gasskífa umlykur svarthol, þá búumst við við því að svartholið framkalli dökkleitt svæði, svipað og skuggi – nokkuð sem almenna afstæðiskenning Einsteins spáir fyrir um en við höfum aldrei séð áður,“ sagði Heino Falcke, yfirmaður EHT vísindaráðsins við Radboud-háskóla í Hollandi. „Skugginn myndast þegar sjóndeild svartholsins sveigir, beygir og fangar ljós. Stærð skuggans gerir okkur kleift að mæla hinn mikla massa svartholsins í M87.“
Ýmsum aðferðum var beitt við kvörðun og myndatökurnar en þær leiddu í ljós hringlaga form og dökkt svæði í miðjunni – skugga svartholsins – sem kom fram mælingum EHT.
„Þegar við vorum viss um að við hefðum fangað skugga svartholsins á mynd, gátum við borið mælingar okkar saman við tölvuútreikninga sem fólu meðal annars í sér eðlisfræði sveigðs tímarúms, ofurheitt efni og sterk segulsvið. Margt af því sem við sáum á myndinni passaði við ótrúlega vel við fræðilegan skilning okkar,“ sagði Paul T.P. Ho, stjórnarmaður í EHT og forstöðumaður East Asian Observatory. „Það rennir stoðum undir túlkun okkar á mælingunum, þar á meðal mati okkar á massa svartholsins,“
„Það er ávallt áhrifarík stund fyrir kenningasmiði að etja saman kenningum og mælingum. Það var því léttir og stolt að sjá að mælingarnar pössuðu svona vel við spárnar,“ sagði Luciano Rezzolla, stjórnarmaður EHT við Goethe Universität í Þýskalandi.
Geysiflókið var að koma EHT á laggirnar. Sú vinna krafðist uppfærslna og samtengingu átta sjónauka um víða veröld á mjög mismunandi athugunarstöðum, til að mynda á eldfjallatindum Hawaii og Mexíkó og fjallstindum í Arizona og Sierra Nevada á Spáni, Atacama-eyðimörkinni í Chile og Suðurheimskautinu.
Mælingar EHT voru gerðar með tækni sem kallast very-long baselane interferometry (VLBI), sem kalla mætti víxlmælingar með langri grunnlínu á íslensku. Í þessari aðferð eru sjónaukar um allan heim samstilltir og nýta sér snúning jarðar til að mynda einn stóran sjónauka á stærð við jörðina sem mælir 1,3mm bylgjulengd. VLBI geriði EHT kleift að ná 20 míkróbogsekúndna upplausn. Það er eins og að lesa dagblað í Miami með sjónauka í Reykjavík [5].
Samtengdir sjónaukar sem mynda Event Horizon Telescope. Mynd: ESO/L. Calçada
Sjónaukarnir sem notaðir voru í rannsókninni eru ALMA, APEX, og 30 metra IRAM sjónaukinn, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope, og South Pole Telescope [6]. Petabæti af gögnum frá sjónaukunum voru sameinuðu í sérútbúnum ofurtölvum í Max Planck Institute for Radio Astrnomy og MIT Haystack Observatory.
Evrópskar stjörnustöðvar og fjármagn frá evrópskra rannsóknarráðinu léku lykilhlutverk í þessu hnattræna átaki. Þar skipti sér í lagi 14 milljón evra styrkur fyrir BlackHoleCam verkefnið [7] miklu máli. Stuðningur frá ESO, IRAM og Max Planck Society skipti líka sköpum. „Niðurstöðurnar byggja á áratuga langri reynslu Evrópu í millímetra-stjörnufræði,“ sagði Karl Schuster, yfirmaður IRAM og meðlimur í stjórn EHT.
Smíði EHT og mælingarnar, sem kynntar voru í dag, eru hápunkturinn í vinnu við tækniþróun og mælingar sem staðið hafa yfir í áratug. Alþjóðleg samvinna eins og þessi krefst náins samstarfs vísindamanna um víða veröld. Þrettan stofnanir, með stuðningi fjölda samta, stóðu að því að búa EHT til, bæði með nýrri tækni en líka uppfærslu á þeim búnaði sem til var fyrir. Lykilfjármagn fékkst frá National Science Foundation (NSF) í Bandaríkjunum, evrópska rannsóknarráðinu (ERC) og stofnunum í austurhluta Asíu [8].
„ESO er hæstánægt með sitt framlag í uppgötvuninni, að hafa gengt forystuhlutverki í Evrópu og að sjónaukar samtakanna í Chile, ALMA og APEX, voru notaðir í ETH,“ sagði Xavier Barcons, framkvæmdarstjóri ESO. „ALMA er næmasta mælitækið í EHT en loftnetin 66 skiptu sköpum í árangri EHT.“
„Okkur hefur tekist nokkuð sem talið var ómögulegt fyrir ekki svo ýkja löngu,“ sagði Doeleman. „Tækniframfarir, tengingar milli bestu útvarpssjónauka heims og ný reiknirit urðu til þess að alveg nýr gluggi í rannsóknum svartholum og sjóndeild þeirra hefur verið opnaður.“
Skýringar
[1] Skuggi svarthols er það næsta sem við komumst því að taka mynd af svartholinu sjálfu. Svarthol eru enda algerlega dimm fyrirbæri því ljós sleppur ekki burt frá þei. Sjóndeildinn – Jaðar eða mörk svarthols sem EHT sjónaukinn dregur nafn sitt af – er um 2,5 sinnum minni en skugginn sem hún varpar. Svartholið eða sjóndeildin er rétt innan við 40 milljarðar kílómetra í þvermál. Svartholið er því sjö sinnum stærra en vegalengdin milli sólar og Plútós.
[2] Risasvarthol eru tiltölulega lítil í stjarnfræðilegum sklningi, svo ómögulegt var að taka myndir af þeim fyrr en nú. Stærð sjóndeildar svarthols er í hlutfalli við massa þess. Því massameira sem svartholið er, því stærri er sjóndeildin og þá skugginn. Vegna gífurlegs massa svartholsins í M87, sem og nálægðar við Jörðina, var því spáð að það væri eitt hið stærsta sem hægt væri að mæla frá Jörðinni. Þess vegna var aðalviðfangsefni EHT.
[3] Þótt sjónaukarnir séu ekki tengdir beint saman er hægt að samstilla mælingar allra með hjálp atómklukka – vetnismeysa– sem tímasetja mælingarnar hárnákvæmlega. Gerðar voru mælingar á ljósi með 1,3mm bylgjulengd árið 2017. Hver EHT sjónauki safnaði gríðarmiklum gögnum – um 350 terabætum á dag – og voru þau geymd á helíumfylltum hörðum diskum. Þeir voru síðan fluttir í sérstakar ofurtölvur í Max Planck Institute for Radio Astronomy og MIT Haystack Observatory þar sem þau voru sameinuð. Við gagnaúrvinnslu var úbúin ljósmynd með hjálp reikniforrita sem voru þróuð í samstarfinu.
[4] Fyrir hundrað árum fóru vísindamenn í tvo leiðangra til eyjarinnar Principe undan ströndum Afríku og Sobral í Brasilíu til að fylgjast með sólmyrkvanum 1919. Markmiðið var að prófa almennu afstæðiskenninguna og kanna hvort ljós frá stjörnu beygði af leið vegna sveigju tímarúmsins af völdum sólarinnar, einst og Einstein spáði fyrir um. Tæpri öld síðar héldu vísindamenn í EHT samstarfinu í leiðangra á hæstu tinda heims til að mæla áhrif þyngdarkraftsins á ný, nú af völdum risasvarthola.
[5] East Asian Observatory (EAO) heldur utan um þátttöku ýmissa ríkja í Asíu í EHT, þar á meðal Kína, Japan, Kóreu, Taívan, Víetnam, Tælandi, Malasíu, Indlandi og Indónesíu.
[6] EHT sjónaukinn verður enn betri í framtíðinni þegar mælingar frá IRAM NOEMA stjörnustöðinni, Greenland Telescope og Kitt Peak Telescope bætast við.
[7] ALMA er samstarfsverkefni European Southern Observatory (ESO; Evrópu, sem heldur utan um þátttöku aðildaríkjanna),National Science Foundation (NSF) í Bandaríkjunum og National Institutes of Natural Sciences (NINS) í Japan, auk National Research Council (Kanada), Ministry of Science and Technology (MOST; Taívan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taívan), og Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Suður-Kórea), í samvinnu við Chile. APEX er rekið af ESO, 30-metra sjónaukinn er starfræktur af IRAM (IRAM Partner Organizations eru MPG (Þýskalandi), CNRS (Frakklandi) og IGN (Spáni), James Clerk Maxwell Telescope er starfræktur af EAO, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano er starfræktur af INAOE og UMass, Submillimeter Array er starfræktur af SAO og ASIAA og Submillimeter Telescope er starfræktur af Arizona Radio Observatory (ARO). South Pole Telescope er starfræktur af University of Chicago og sérútbúin EHT mælitæki komu frá University of Arizona.
[8] BlackHoleCam er evrópskt rannsóknarverkefni sem snýst um að taka myndir af, mæla og skilja svarthol. Meginmarkmið BlackHoleCam og Event Horizon Telescope (EHT) er að taka fyrstu ljósmyndirnar af milljarða sólmassa risasvartholinu í vetrarbrautinni M87, sem og risasvartholinu í miðju okkar Vetrarbrautar, Sagittarius A*. Þettta gerir okkur kleift að mæla sveigju tímarúmsins af völdum svartholsins með mikilli nákvæmni.