Bir kara deliğin ilk olay ufku fotoğrafı nasıl çekildi?

Bilim insanları, sekiz radyo gözlemevinden oluşan küresel bir ağ tarafından toplanan verileri değerlendirdi.

ALMA teleskopu

Şili’deki Atacama Büyük Milimetre Teleskobu, ALMA da dahil olmak üzere tüm dünyadaki radyo teleskoplar neredeyse Dünya kadar büyük bir sanal radyo çanağı olan Olay Ufku (Event Horizon) Teleskobunu (EHT) oluşturmak için güçlerini birleştirdi.

Neyse ki, uçurumun kendisine bakmadan kara deliği “görmenin” bir yolu var. Teleskoplar, bir karadeliğin olay ufkunun (içinde hiçbir şeyin görülemeyeceği veya kaçabileceği bir çevre) siluetini aradı. EHT’nin Nisan 2017’de yaptığı, M87 galaksisinin içindeki süper kütleli bir kara deliğin ilk görüntüsünü veren verileri toplayan budur .

Harvard Üniversitesi astrofizikçisi Avi Loeb, “Bir görüntüye sahip olmaktan daha iyi bir şey yok” diyor. Bilim adamları, son yarım yüzyıl boyunca kara delikler için birçok dolaylı kanıt toplamış olsalar da, “görmek inanmaktır.”

Bu ilk kara delik portresini yaratmak biraz zordu. Kara delikler minik bir gökyüzü şeridinde yer alır ve Dünya’dan çok soluk görünür. M87’nin kara deliğini görüntüleme projesi, tüm dünyadaki gözlemcilerden, tek bir gözlemcinin başarabileceğinden daha keskin bir görüşe sahip, dünya çapında bir büyüklükte sanal radyo anteni olarak olarak çalışmasını gerektiriyordu.

EHT teleskoplarının haritası

Bir kara deliğin ilk resmini almak için Olay Ufku Teleskobu adlı bir ağdaki neredeyse tüm dünyayı kapsayan radyo gözlemcilerinin bağlanması gerekiyordu.

‘Çözümü’ kararlaştırmak

Güneşimizin kütlesinin yaklaşık 6,5 milyar katı ağırlığında olan M87’deki süper kütleli kara delik küçük bir yavru değil. Ancak Dünya üzerindeki 55 milyon ışıkyılı uzaklıktan bakıldığında kara delik gökyüzündeki yaklaşık 42 mikro saniyedir. Bu, Ay’daki bir portakaldan daha küçük, Dünya’daki birine görünecek. Yine de, kendi galaksimizin merkezindeki kara deliğin yanı sıra Sgr A * – EHT’nin diğer görüntüleme hedefi – M87’nin kara deliği gökyüzündeki en büyük kara delik siluetidir.

Sadece emsalsiz çözünürlüğe sahip bir teleskop çok küçük bir şey seçebilirdi. (Karşılaştırma için, Hubble Uzay Teleskobu sadece 50.000 mikro saniye kadar küçük nesneleri ayırt edebilir). Bir teleskobun çözünürlüğü çapına bağlıdır: Çanak ne kadar büyükse, görüntü o kadar net – süper kütleli bir kara deliğin net bir görüntüsünün alınması gerekir. gezegen büyüklüğünde bir radyo anteni.

Kara delikler hakkında daha fazlası

Kara delik görüntüleme projesinde yer almayan Loeb, büyük tabaklar pişirmeye yabancı olmayan radyo gökbilimciler için bile, “bu biraz fazla hırslı görünüyor” diyor. “İşin püf noktası, tüm dünyayı bir gözlemevi ile örtmemiz.”

Bunun yerine, çok uzun taban çizgisi interferometresi adı verilen bir teknik, bir kerede birçok teleskop tarafından görülen radyo dalgalarını birleştirir; böylece teleskoplar, devasa bir çanak gibi etkili bir şekilde birlikte çalışır. Bu sanal tabağın çapı, ağdaki iki teleskop arasındaki en uzun mesafenin uzunluğuna veya taban çizgisine eşittir. 2017’deki EHT için Güney Kutbu’ndan İspanya’ya olan mesafeydi.

Teleskoplar toplanın!

EHT her zaman bugün olduğu gibi sıcak nokta değildi. 2009’da, yalnızca dört gözlemevinden oluşan bir ağ – Arizona, Kaliforniya ve Hawaii’de – M87’nin kara deliğinin merkezinden yayılan plazma jetlerinden birinin tabanına ilk kez iyi baktı. Ancak küçük teleskop kohortunun kara deliğin kendisini açığa çıkaracak büyütme gücü henüz yoktu.

Zamanla, EHT yeni radyo gözlemevleri işe aldı. 2017 itibariyle, Kuzey Amerika, Hawaii, Avrupa, Güney Amerika ve Güney Kutbu’nda sekiz gözlem istasyonu vardı. Yeni gelenler arasında kuzey Şili’de yüksek bir platoda bulunan Atacama Büyük Milimetre / milimetre düzeneği veya ALMA vardı. Bir Amerikan futbol sahasından daha büyük bir birleşik yemek alanı ile ALMA, diğer gözlem merkezlerinden çok daha fazla radyo dalgası toplar.

“ALMA her şeyi değiştirdi,” diyor MIT’in Westford’daki Haystack Gözlemevinde bir gökbilimci olan Vincent Fish, “Daha önce tespit etmek için zorlukla uğraştığınız herhangi bir şey, şimdi gerçekten sağlam tespitler alıyorsunuz.”

Rüya takımı

Bu sekiz radyo gözlemevi, Event Horizon Telescope ağı olarak adlandırılan küresel bir teleskop olarak birlikte çalışmak üzere 2017 yılında bir araya geldi. Görevleri: ilk kez süper kütleli bir kara delik görüntülemektir. Yediden elde edilen veriler M87 galaksisinin içindeki kara deliğin bir resmini oluşturmak için kullanıldı; M87 kuzey gökyüzünde göründüğü için, Güney Kutbu gözlemevi onu göremedi. Aşağıdaki fotoğraf gözlemevlerinin bulunduğu  ve çabaya ne kadar emek kattıkları yerler.

Atacama Büyük Milimetre / milimetre
Atacama Pathfinder Deneyi
IRAM 30 metrelik teleskop
Büyük Milimetre Teleskop
Submillimetre Teleskopu
James Clerk Maxwell Teleskopu
Submillimetre Dizisi
Güney Kutbu Teleskopu

Parçalarının toplamından daha fazlası

EHT gözlem kampanyaları, her gözlemevindeki havanın en kooperatif olacağına söz verdiği Mart ayının sonunda veya Nisan ayının başında yaklaşık 10 gün içinde gerçekleştirilir. Araştırmacıların en büyük düşmanı, EHT’nin teleskoplarının ayarladığı milimetre-dalga boyu radyo dalgalarıyla karışabilen yağmur veya kar gibi atmosferdeki sudur. Ancak birkaç kıtada hava durumu planlaması lojistik bir baş ağrısı olabilir.

Academia Sinica Astronomi ve Astrofizik Enstitüsü’nden gökbilimci Geoffrey Bower “Her sabah hava durumu verileri ve teleskop hazırlığının çılgınca bir dizi telefon görüşmesi ve hava durumu analizleri var ve ardından gece gözlemi için gidip gitme kararı veriyoruz” diyor. Hilo, Hawaii’de. Kampanyanın başında araştırmalar şartlar konusunda seçicidir. Ama koşunun kuyruğuna doğru, alabileceklerini alacaklar.

Gökyüzü gözlemlemek için yeterince açık olduğunda, araştırmacılar her EHT gözlemevindeki teleskopları süper kütleli bir kara deliğin çevresine yönlendirir ve radyo dalgaları toplamaya başlar. M87’nin kara deliği ve Sgr A * gökyüzü üzerinde birer birer göründüğü için – her biri diğer setler gibi yükselmek üzere – EHT, tek bir çok günlük kampanya boyunca iki hedefini gözlemlemek arasında ileri geri geçiş yapabilir. . Tüm sekiz gözlemevi Sgr A * ‘yı izleyebilir ancak M87 kuzey gökyüzünde ve Güney Kutbu istasyonunun görüş alanı dışındadır.

Kendi başlarına, her gözlem istasyonundan gelen veriler saçma gibi görünüyor. Ancak, çok uzun taban çizgisi interferometri tekniğini kullanarak birlikte alındığında, bu veriler bir kara deliğin görünümünü ortaya çıkarabilir.

İşte nasıl çalışıyor. Tek bir hedefe yönelik bir çift radyo yemeği hayal edin, bu durumda bir kara deliğin halka şeklindeki silüeti. Bu halkanın her bir ucundan yayılan radyo dalgaları, her teleskoba ulaşmak için biraz farklı yollar kullanmalıdır. Bu radyo dalgaları birbirlerini engelleyebilir, bazen birbirlerini güçlendirebilir ve bazen birbirlerini iptal edebilirler. Her teleskop tarafından görülen girişim deseni, halkanın farklı bölgelerinden gelen radyo dalgalarının o teleskobun bulunduğu yere ulaştığında nasıl etkileşime girdiğine bağlıdır.

M87’nin süper kütleli kara deliği (bu Hubble Uzay Teleskobu görüntüsünde görüldüğü gibi) binlerce ışıkyılı uzatan yüklü atom altı parçacıkların parlak jetleri yayar. Araştırmacılar, EHT’nin gözlemlerinin bu kozmik ışık gösterilerinin kökeninin ortaya çıkmasına yardımcı olacağını umuyor.

Tek tek yıldızlar gibi basit hedefler için, tek bir teleskop çifti tarafından toplanan radyo dalgası desenleri, araştırmacıların geriye doğru çalışması ve bu verilerin hangi dağılımın bu verileri üretmesi gerektiğini çözmesi için yeterli bilgi sağlar. Ancak, kara delik gibi karmaşık yapıya sahip bir kaynak için görüntünün ne olabileceği konusunda çok fazla olası çözüm vardır.
Araştırmacılar, bir kara deliğin radyo dalgalarının birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini araştırmak için daha fazla veriye ihtiyaç duyuyor ve kara deliğin nasıl göründüğü hakkında daha fazla ipucu sunuyor.İdeal dizi, mümkün olduğunca farklı uzunluk ve yönlerde birçok taban çizgisine sahiptir. Daha uzaktaki teleskop çiftleri daha ince ayrıntıları görebilir, çünkü radyo dalgalarının kara delikten her teleskopa giden yolları arasında daha büyük bir fark vardır. EHT, Dünya döndükçe kara deliğe göre değişen hem kuzey-güney hem de doğu-batı yönelimli teleskop çiftlerini içerir.

Hepsini bir araya getirmek

Her gözlemevinden gelen gözlemleri bir araya getirmek için araştırmacıların, verileri için kesin hassasiyetle zamanlarını kaydetmeleri gerekir. Bunun için her 100 milyon yılda bir saniye kaybedilen hidrojen masörlü atomik saatler kullanıyorlar.

Zaman damgası için çok fazla veri var. Bower, “Son deneyimizde, saniyede 64 gigabit hızında veri kaydettik; bu, evdeki internet bağlantınızdan yaklaşık 1000 kat daha hızlı” diyor.

Bu veriler daha sonra MIT Haystack Gözlemevi’ne ve Almanya’nın Bonn kentindeki Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü’ne korelatör adı verilen özel bir süper bilgisayar türünde işlem yapmak üzere aktarıldı. Ancak her teleskop istasyonu, tek bir gözlem kampanyası sırasında yüzlerce terabaytlık bilgiyi bir araya getirir – internet üzerinden göndermek için çok fazla. Böylece araştırmacılar bir sonraki en iyi seçeneği kullanır: salyangoz postası. Şimdiye kadar, büyük bir nakliyat aksilik olmadı, ancak Bower, diskleri postalamanın her zaman biraz sinir bozucu olduğunu itiraf ediyor.

EHT verilerinin çoğu 2017 gözlem kampanyasının haftalarında Haystack ve Max Planck’a ulaşsa da, Güney Kutbu’ndan Kasım ayına kadar hiçbir uçuş olmadı. MIT Haystack gökbilimcisi Fish, “Verileri Güney Kutbu’ndan Aralık ortasına kadar geri alamadık” diyor.

Boşlukları doldurmak

EHT verilerini birleştirmek hala süper kütleli bir karadeliğin canlı bir resmini oluşturmak için yeterli değil. Eğer M87’nin kara deliği bir şarkı olsaydı, o zaman sadece birleştirilmiş EHT verilerini kullanarak görüntülemek, piyanoda çalınan parçayı bir sürü kırık tuşla dinlemek gibi olurdu. Ne kadar çok çalışma anahtarı – veya teleskop taban çizgisi çiftleri – melodinin özünü almak o kadar kolay olur. Fish, “Bazı kırık anahtarlarınız olsa bile, hepsini doğru çalıyorsanız, melodiyi anlayabilirsiniz ve bunun nedeni kısmen müziğin nasıl bir ses olduğunu bilmemizdir” diyor. “Görüntüleri yüzde 100 yapmamıza rağmen görüntüleri yeniden oluşturabilmemizin nedeni, genel olarak resimlerin nasıl göründüğünü bilmemizdir”.

Müzik yapmak

Event Horizon Teleskobu ile kara delik görüntülenmesi, piyanoda çalınan bir sürü kırık tuşla çalınan bir şarkıyı dinlemek gibidir. Bu videoda görüldüğü gibi, ne kadar çok çalışma tuşu – veya dizideki teleskop çiftleri – şarkı o kadar net olur. Sonunda, yeterli çalışma anahtarına (mor ve mavi) sahip olan bilim adamları, ayarların özünü almak için boşlukları doldurabilirler. Benzer şekilde, EHT 2017’de veri toplamaya yetecek kadar teleskop çiftine sahip olduktan sonra, görüntüleme yazılımı bir kara deliğin tam görüntüsünü oluşturmak için teleskopların gözlemlerindeki boşlukları doldurabilir.

Herhangi bir resmin ne kadar rastgelelik içerebileceği, ne kadar parlak olması gerektiği ve komşu piksellerin benzer görünmesinin ne kadar muhtemel olduğu ile ilgili matematiksel kurallar vardır. Bu temel kurallar, yazılımın hangi potansiyel görüntülerin veya veri yorumlamalarının en mantıklı olduğuna nasıl karar verdiğine karar verebilir.

2017 gözlem kampanyasından önce, EHT araştırmacıları, bilgisayar algoritmalarının kara deliklerin nasıl görünmesi gerektiğine ilişkin beklentileri karşılayacak görüntüler oluşturmaya yönelmediklerinden emin olmak için bir dizi görüntüleme zorluğu yaşadılar. Bir kişi teleskopların o kaynağa bakıp bakmadıklarını görecekleri hakkında sahte veriler üretmek için gizli bir görüntü kullanır. Sonra diğer araştırmacılar orijinal imajı yeniden inşa etmeye çalışırlar.

“Bazen gerçek görüntü aslında bir kara delik görüntü değildi” diyor Fish, “eğer algoritmanız kara delik gölgesi bulmaya çalışıyorsa… iyi yapmazsınız.” Uygulama, araştırmacıların veri işleme tekniklerini iyileştirmesine yardımcı oldu. M87 görüntüsünü işlemek için kullanılır.

Kara delikler ve ötesi

Böylece, M87’nin içindeki kara delik nihayet çekiciliğini aldı. Şimdi ne olacak?

EHT’nin kara delik gözlemlerinin, M87’ler de dahil olmak üzere bazı süper kütleli kara deliklerin bu kadar parlak plazma jetlerini nasıl başlattıkları gibi soruları cevaplamasına yardımcı olması bekleniyor. Loeb, gazın nasıl düştüğü ve karadelikleri nasıl beslediğini anlamak, bazı karadeliklerin ilk evrende nasıl bu kadar hızlı büyüdüğünün gizemini çözmede yardımcı olabilir , diyor Loeb.

Loeb, EHT’nin ayrıca , 2015 yılında Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory veya Advanced LIGO tarafından algılanan çekim dalgaları yarattığı iki yıldız kütlesel kara deliklere benzer şekilde, birbirlerini yörüngede süper kütleli kara delik çiftlerini bulmak için kullanılabileceğini öne sürüyor. Bu ikililerin sayımını almak, araştırmacıların, Kara Delikler gibi nesnelerin hareketi ile ortaya çıkan yerçekimi dalgaları uzayından arayacakları Lazer İnterferometre Uzay Anteni veya LISA hedeflerini belirlemelerine yardımcı olabilir

EHT, solo süper kütleli kara deliklerin yanı sıra, Lazer İnterferometre Uzay Anteni olarak adlandırılan, uzay temelli bir çekimi dalgası gözlemcisinin hedefi olacak süper kütleli kara delik ikili dosyalarını da arayabilir.

Astrofizikçi Daniel Marrone, EHT’nin süper kütleli kara deliklerden başka bir çok uygulanabilir hedefi bulunmadığını söylüyor. Evrende, süper kütleli bir kara deliği çevreleyen alan kadar küçük ama parlak görünen başka şeyler de var. Marrone, “Algılayabileceğimiz küçük gökyüzü parçalarından yeterince ışık alabilmelisiniz” diyor. “Prensip olarak, yabancı plakaları veya bir şeyleri okuyabiliriz”, ancak süper parlak olmaları gerekir.

Uzaylı arayanlar için çok kötü. Yine de, EHT tek hileli bir midilli olsa bile, süper kütleli kara deliklere casusluk yapmak oldukça hoş bir numaradır.