Sekalaiset

Kuinka ensimmäinen kuva mustasta reiästä otettiin?

Kuinka ensimmäinen kuva mustasta reiästä otettiin?

Keskiviikkona 10. huhtikuuta maailmaa kohdeltiin ennennäkemättömällä - kaikkien aikojen ensimmäisellä kuvalla mustasta aukosta! Erityisesti kuva sieppasi Supermassiivisen mustan aukon (SMBH) M87: n (alias Neitsyt A) keskelle, joka on ylivoimainen elliptinen galaksi Neitsyt-tähdistössä.

Tätä kuvaa verrataan jo nyt kuviin, kuten Voyager 1 tehtävän tai "Earthrise" -kuvan Apollo 8. Kuten nämä kuvat, M87-mustan aukon kuva on vanginnut ihmisten mielikuvituksen ympäri maailmaa.

Tämä saavutus perustui vuosien kovaan työhön, johon osallistuivat tähtitieteilijät, observatoriot ja tiedelaitokset ympäri maailmaa. Kuten useimmissa tämän kaliiperin saavutuksissa, lukemattomilla ihmisillä oli rooli ja he ansaitsevat tunnustusta sen toteuttamisesta.

Mutta kuten aina, oli kourallinen ihmisiä, joiden panos todella erottuu. Lisäksi mustan aukon ensimmäisen kuvan kaappaaminen riippui paljon erikoistuneista tekniikoista ja tieteellisistä menetelmistä, jotka myös ansaitsevat huomiota. Voit sanoa, että hänen historiallisella saavutuksellaan oli historiallinen kasvu!

Ne, jotka tekivät sen tapahtumaan:

Sen jälkeen kun EHT-projekti julkaisi ensimmäisen kuvan mustasta aukosta, Katherine Boumanista on tullut jokin yleinen nimi. Mutta kuka on tämä mustien aukkojen metsästäjä, jonka työ on auttanut meitä katsomaan yhden maailman salaperäisimmän ilmiön kasvot?

LIITTYVÄT: KATIE BOUMAN: LÄHETTÄVÄ MIELI, JOKA TOI MEILLE MUSTAN REIKÄN KUVAN

Bouman sai tohtorin tutkinnon. Sähkötekniikka ja tietojenkäsittelytiede Massachusettsin teknillisessä instituutissa (MIT) vuonna 2017. Sittemmin Bouman on työskennellyt tutkijatohtorina Event Horizon Telescope -projektissa, jossa hän sovelsi uusia laskennallisia menetelmiä kuvantamistekniikan rajojen ylittämiseksi.

Hänen panoksensa joukossa on sellaisen algoritmin kehittäminen, joka oli tärkeä kuvan saamiseksi, joka tunnetaan nimellä Jatkuva korkean resoluution kuvien rekonstruointi Patch priors (CHIRP) -tekniikalla. Vaikka itse CHIRPiä ei käytetty, se inspiroi käytettyjä kuvien validointimenettelyjä, joiden kehittämisessä Boumanilla oli myös merkittävä rooli.

LIITTYVÄT: KUVA MUSTAAUKOSTA, joka paljastettiin ensimmäistä kertaa

EHT: n ottamien kuvien suodattamisen parametrien tarkistamisen ja valitsemisen lisäksi hän auttoi myös kuvankehystä, jossa verrattiin eri kuvan rekonstruointitekniikoiden tuloksia. Mustan aukon kuvan julkaisemisen jälkeen kuva Boumanista, joka hymyilee tietokoneen näytön edessä, alkoi virusta Internetissä.

Kun ilmoitus tehtiin, Bouman lähetti kuvan hänestä ja hänestä sekä tutkimusryhmästä (esitetty yllä) ja kuvateksti:

"Olen niin innoissani, että saamme vihdoin jakaa sen, mihin olemme työskennelleet kuluneen vuoden aikana! Tänään esitetty kuva on yhdistelmä useilla menetelmillä tuotettuja kuvia. Kukaan algoritmi tai henkilö ei tehnyt tätä kuvaa, se vaati hämmästyttävää eri puolilta maailmaa tulevan tutkijaryhmän lahjakkuus ja vuosien ponnistelu sen instrumentin, tietojenkäsittelyn, kuvantamismenetelmien ja analyysitekniikoiden kehittämiseksi, jotka olivat välttämättömiä tämän näennäisesti mahdottomalta näyttävän saavutuksen saavuttamiseksi. Se on ollut todella kunnia, ja olen niin onnekas, että minulla on ollut mahdollisuus työskennellä kaikkien kanssa. "

Bouman ja hänen ryhmänsa analysoivat parhaillaan Event Horizon Telescope -kuvia saadakseen lisätietoja yleisestä suhteellisuudesta voimakkaalla painovoimakentällä. Erinomaisesta työstään Bouman sai äskettäin myös apulaisprofessorin tehtävän Caltechin laskenta- ja matemaattitieteen (CMS) osastolla.

Bouman pyrkii yhdessä Caltechin kanssa luomaan laboratorion, joka on omistettu laskennallisen kuvantamisen ja koneoppimisalgoritmien kokeilulle. Tämä laboratorio on ensimmäinen laatuaan, ja sillä odotetaan olevan merkittävä vaikutus gravitaatio-singulariteettien ja muiden ääri-ilmiöiden tutkimiseen.

Sitten on Sheperd Doeleman, Harvard-Smithsonianin astrofysiikkakeskuksen (CfA) vanhempi tutkija, Harvardin Black Hole Initiative -havainnon apulaisjohtaja ja EHT: n johtaja. Hän on myös MIT: n johtava tutkija ja MIT: n Haystack Observatoryn apulaisjohtaja - yksi kahdeksasta, jotka osallistuivat EHT: ään.

Juuri aikanaan MIT: n Haystack-observatoriossa Doelemanista tuli yksi ensimmäisistä ihmisistä, joka näki ensimmäiset vihjeet mustasta aukosta Linnunradan keskellä. Ja se johtui analyyseistä, jotka hän suoritti tietojen ymmärtämiseksi.

"Se oli hetki, jolloin maailmassa oli yksi henkilö - minä, joka tiesi, mitä juuri tapahtui", hän sanoi. "Se oli melko hämmästyttävää. Koska heti kun tiesimme, että siellä oli jotain, sitten käsineet irtoivat ja olimme valmiita aloittamaan maan kokoisen taulukon rakentamisen sen kuvaksi."

Kuitenkin vasta toukokuussa 2018 hänen tiiminsä saavutti sen, mitä monet pitivät mahdottomana. Se alkoi konferenssissa BHI: ssä, jossa opiskelijat ja postdoktorit jakoivat osan saamistaan ​​tiedoista Doelemanille. Kuten hän kuvaili löytöhetkeä:

"Näissä tiedoissa näkyivät ilmaisinalueiden allekirjoitukset ... ja me kaikki vain katselimme sitä sanoen:" Vau. "Työskentelin myöhään yöhön asti keksimällä mallin siitä, kuinka iso mitä näimme, ja se on kun tiesin, että meillä on jotain erittäin mielenkiintoista. "

Laajan astrofysikaalisten ilmiöiden tutkimisen lisäksi Doeleman toi myös asiantuntemuksensa erittäin pitkälle perustason interferometrialle (VLBI). Tämä prosessi, jossa valtavien etäisyyksien päässä erotetut radiolautaset yhdistetään virtuaalisen teleskooppiryhmän muodostamiseksi, oli välttämätön EHT: n ponnisteluille.

MIT-ryhmänsä kanssa Doeleman auttoi kehittämään instrumentointia, jonka avulla tähtitieteilijät pystyivät saavuttamaan suurimman mahdollisen resoluution VLBI: n avulla maapallon observatorioissa. Aiemmin hän ja hänen tiiminsä ovat käyttäneet tätä tekniikkaa vastasyntyneiden tähtien ja kuolevien tähtien ilmakehän tutkimiseen.

Mutta EHT: n kuvankäsittelyominaisuuksien avulla tekniikoita, joita hän auttoi edelläkävijänä, voidaan nyt käyttää tutkimaan, kuinka painovoima ja yleinen suhteellisuusteoria toimivat äärimmäisissä olosuhteissa. Tämä avaa tehokkaasti uuden oven ymmärtämään maailmankaikkeutemme toimintaa.

"Tämä täyttää unelmamme ottaa ensimmäinen kuva mustasta aukosta", sanoi Doeleman. "Meillä on nyt pääsy äärimmäisen vakavaan kosmiseen laboratorioon, jossa voimme testata Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ja kyseenalaistaa avaruuteen ja aikaan liittyvät olettamuksemme. ”

Kiitos roolinsa projektin koordinoinnissa, Doeleman johtaa nyt EHT-projektia. Boumanin ja Doelemanin lisäksi lukemattomilla tiedemiehillä ja insinööreillä oli tärkeä rooli tämän virstanpylvään toteuttamisessa. Lisäksi mukana oli useita keskeisiä laitteita ja prosesseja.

Kuinka kuva otettiin:

Event Horizon Telescope (EHT) on pohjimmiltaan planeetan kokoinen radioteleskooppi, joka koostuu observatorioista ympäri maailmaa. Tällä hetkellä EHT koostuu kahdeksasta toimipaikasta, joihin kuuluvat:

  • James Clerk Maxwell -teleskooppi (JCMT) Mauna Kean observatoriossa (CSO) Havaijilla
  • Alfonso Serrano (LMT), suuri millimetrin teleskooppi Volcán Sierra Negrassa, lähellä Veracruzia, Meksiko
  • Yhdistetty matriisitutkimustutkimus (CARMA) Itä-Kaliforniassa
  • Kitt Peak National Observatoryn (KPNO) kaksi radioteleskooppia, jotka sijaitsevat aivan Tucsonin eteläpuolella Arizonassa
  • Arizonan radion observatorion (ARO) submillimetriteleskooppi (SMT) Etelä-Arizonassa
  • Euroopan eteläisen observatorion (ESO) Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) Pohjois-Chilessä
  • 30-metrinen kaukoputki Etelä-Espanjassa, jota hoitaa Millimeter Radioastronomy Institute (IRAM)
  • Etelänavan teleskooppi (SPT) Amundsen – Scott South Pole -asema

Yhdistämällä radioantennit ja useiden hyvin pitkien interferometria (VLBI) -asemien tiedot EHT pystyy saavuttamaan tarkkuuden tason, jonka avulla tutkijat voivat tarkastella mustien aukkojen (eli tapahtumahorisontin) ympärillä olevaa ympäristöä.

Tämä ei ollut helppo tehtävä, kun otetaan huomioon mustien aukkojen äärimmäinen luonne. Alun perin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian (GR) ennustamana mustat aukot ovat pohjimmiltaan mitä tapahtuu erityisen massiivisista tähdistä, kun ne saavuttavat eliniänsä.

Tässä vaiheessa, kun tähti on käyttänyt viimeisen vety- ja heliumpolttoaineensa, se käy läpi painovoiman romahduksen. Tämä johtaa supernovana tunnettuun massiiviseen räjähdykseen, jossa tähti puhaltaa ulommat kerroksensa. Tähden massasta riippuen tulos on joko tähtijäännös (ts. Neutronitähti tai "valkoinen kääpiö") tai musta aukko.

Itse asiassa termi "musta aukko" on hieman harhaanjohtava, koska ne ovat todella erittäin pakattuja esineitä, jotka sisältävät ylimääräisen määrän ainetta pienellä alueella. Kompaktin luonteensa vuoksi heillä on erittäin voimakas painovoima, josta mikään - ei edes valo - voi paeta.

Tämän vuoksi tutkijat pystyivät vain päättelemään mustien aukkojen olemassaolon niiden ympäristöön kohdistuvien vaikutusten perusteella. Näitä ovat tapa, jolla ne loimivat avaruusaikaa, aiheuttaen ympärillään olevat kohteet putoamaan epäkeskeisille kiertoradoille, ja tavan, jolla ne aiheuttavat materiaalin putoamisen ympärilleen levylle, joka kuumennetaan satoihin miljardeihin asteisiin.

Kuten Ramesh Narayan, Harvardin yliopiston professori ja EHT-teorian johtaja, tiivisti:

”Vuosikymmenien ajan olemme tutkineet, kuinka mustat aukot nielevät materiaalia ja voimistavat galaksien sydäntä. Musta aukko vihdoin nähdä toiminnassa, taivuttamalla lähellä oleva valo kirkkaaksi renkaaksi, on henkeäsalpaava vahvistus siitä, että supermassiivisia mustia aukkoja on olemassa ja ne vastaavat simulaatioiltamme odotettua ulkonäköä. "

Projektin kohteet olivat kaksi mustaa aukkoa, joilla oli suurin näennäinen kulmakoko Maasta katsottuna. Nämä ovat SMBH, joka sijaitsee Linnunradan keskellä (Jousimies A *) ja SMBH galaksin keskellä, joka tunnetaan nimellä M87 (Neitsyt A).

Tähän tähtitieteilijät tarvitsivat ennennäkemättömän tarkan kaukoputken saadakseen kuvan näistä SMBH: ista. Täältä ELT tuli. Jonathan Weintroub, joka koordinoi EHT: n instrumenttien kehittämisryhmää, selitti:

”EHT: n resoluutio riippuu kaukoputkien, joita kutsutaan perusviivaksi, välisestä etäisyydestä sekä havaituista lyhyistä millimetreistä radioaallonpituuksista. EHT: n hienoin resoluutio tulee pisimmältä lähtötasolta, joka M87: n kohdalla ulottuu Havaijista Espanjaan. Pitkän perustason herkkyyden optimoimiseksi ja havaintojen mahdollistamiseksi kehitimme erikoistuneen järjestelmän, joka yhdistää signaalit kaikista saatavilla olevista SMA-astioista Maunakeassa. Tässä tilassa SMA toimii yhtenä EHT-asemana. "

Kahdeksan observatorionsa kautta EHT kirjasi miljoonia gigatavuja tietoja näistä kahdesta mustasta aukosta. Kukin teleskooppi otti yhteensä noin yhden petatavun (miljoona gigatavua) dataa ja kirjasi sen useaan Mark6-yksikköön - tallentimiin, jotka kehitettiin alun perin Haystack-observatoriossa.

Tarkkailujakson päätyttyä jokaisen aseman tutkijat pakkasivat pinon kiintolevyjä, jotka sitten lennätettiin MIT Haystack-observatorioon Massachusettsissa Yhdysvalloissa ja Max Planckin radioastronomiainstituuttiin Bonnissa Saksassa.

Siellä tiedot ristikorreloitiin ja analysoitiin 800 tietokoneella, jotka on kytketty 40 Gbit / s -verkon kautta. Tietojen muuntaminen kuviksi vaati kuitenkin uusien menetelmien ja menettelyjen kehittämistä.

Tähän sisältyi kuvien vertaaminen neljän itsenäisen tutkijaryhmän välillä käyttäen kolmea erilaista kuvantamismenetelmää - jotka suunnitteli ja johti Katie Bouman. Tulevina vuosina EHT aikoo parantaa projektin kulmaresoluutiota lisäämällä vielä kaksi matriisia ja tekemällä lyhyemmän aallonpituuden havaintoja.

Näihin kuuluvat Grönlannin teleskooppi, jota Smithsonian Astrophysical Observatory ja Academia Sinica Astronomy and Astrophysics Institute käyttävät yhdessä. ja IRAM: n pohjoinen laajennettu millimetriryhmä (NOEMA) Etelä-Ranskassa.

Miksi se näyttää "tulen sormelta":

Mustien aukkojen olemassaolon lisäksi Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennusteiden mukaan musta aukko heittäisi pyöreän varjon sitä ympäröivälle hehkuvalle materiaalilevylle. Pohjimmiltaan alue mustien aukkojen tapahtumahorisontissa näyttäisi olevan täydellinen mustuus, jyrkässä vastakohtana sen takana olevalle erittäin kirkkaalle levylle.

EHT: n tiedeneuvoston puheenjohtaja Heino Falcke Radboudin yliopistosta Alankomaissa selitti kaiken seuraavasti:

"Jos upotetaan kirkkaaseen alueeseen, kuten hehkuvan kaasulevyn, odotamme mustan aukon muodostavan tumman alueen, joka on samanlainen kuin varjo - jotain ennustaa Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, jota emme ole koskaan ennen nähneet, Tämä varjo, jonka aiheuttaa painovoimainen taipuminen ja valon sieppaaminen tapahtumahorisontissa paljastaa paljon näiden kiehtovien esineiden luonteesta ja antoi meille mahdollisuuden mitata M87: n mustan aukon valtavaa massaa. "

Kiinnostavaa kyllä, tämän ulkonäön ennusti tarkasti myös Interstellar-elokuvan takana oleva erikoistehostiimi. Elokuvan realistisuuden lisäämiseksi teoreettinen fyysikko ja Nobel-palkittu Kip Thorne kehitti uuden yhtälöjoukon ohjaamaan erikoistehosteiden tiimin renderointiohjelmistoa.

Tätä varten Thorne luotti tunnettuihin tieteellisiin periaatteisiin. Näihin sisältyi se, että musta aukko muodostui massiivisesta tähtijäännöksestä, mikä tarkoittaisi, että se pyörii lähellä valon nopeutta. Tämä tarkoittaisi myös, että mustalla aukolla olisi kirkas kiinnityskiekko, joka näyttää käyristyvän samanaikaisesti ylä- ja alapuolelle.

LIITTYVÄT: KIP THORNE'N "TÄRKEIDEN OSUUDET"

Akkrediittilevyn simuloimiseksi erikoistehosryhmä loi litteän, monivärisen renkaan ja asetti sen pyörivän mustan aukonsa ympärille. Lopputulos osoitti, että sen vääntymisvaikutus aika-aikaan loimisi myös kasvatuslevyn - luoden illuusion halosta.

Verrattaessa M87: n SMBH-kuvaa Interstellarin renderöintiin (katso alla), voidaan nähdä hämmästyttäviä yhtäläisyyksiä. Näitä ovat keskimmäiset, varjoisat alueet ja niitä ympäröivät kirkkaat kasvatuslevyt, jotka antavat heille eräänlaisen "tulirenkaan" tai "Sauronin silmän" ulkonäön.

Vaikutukset astrofysiikkaan:

Kuten monet tähtitieteilijät ovat selittäneet kuvan julkaisun jälkeen, kyky kuvata musta aukko avaa uuden aikakauden astrofysiikassa. Aivan kuten gravitaatioaaltojen ensimmäiset havainnot, tämä saavutus antaa tehokkaasti tutkijoille mahdollisuuden havaita ja visualisoida ilmiöitä, jotka olivat joko teoreettisia tai joita voitiin tutkia vain epäsuorasti.

Näihin kuuluvat radikaalit testit Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoriasta. Vaikka viime vuosisadan aikana on tehty monia testejä, joilla varmistetaan painovoiman vaikutukset avaruuteen, valtaosa näistä on koskenut planeetan kokoisia tai tähtikokoisia esineitä.

Kyvyllä visualisoida SMBH: itä tutkijat voivat testata Einsteinin kenttäyhtälöiden ennusteita äärimmäisissä olosuhteissa. Aikaisemmin on tehty rajoitettuja testejä tarkkailemalla S2: n käyttäytymistä, joka on tähti, joka kiertää Jousimies A *: ta galaksimme keskellä.

Mutta kyky visualisoida Jousimies A *: n kasvatuslevy ja varjo tähtitieteilijät odottavat pystyvänsä oppimaan niin paljon enemmän. Tutkijat odottavat myös oppivan lisää siitä, miten aine muodostaa levyjä mustien aukkojen ympärille ja kasaantuu niihin, mikä antaa heidän kasvaa.

Lyhyesti sanottuna tiedemiehet eivät ole vieläkään varmoja siitä, miten aineisto siirtyy nopeasti pyörijältä levyltä tapahtumahorisonttiin. Vaikka tiedetään, että ajan myötä levyn aine menettää energiaa ja lopulta putoaa sisään, tutkijat ovat epävarmoja siitä, mikä aiheuttaa tämän energian menetyksen.

Koska levyllä oleva aine on niin laimea, perinteisen kitkan ei pitäisi olla mahdollista, mikä viittaa siihen, että jokin tuntematon voima saattaa olla pelissä. Kyvyllä tutkia kahta SMBH: ta ja niiden tapahtumahorisontteja tutkijat voivat lopulta testata erilaisia ​​teorioita.

Lisäksi tutkijat toivovat oppivan, miksi Jousimies A * on suhteellisen himmeä verrattuna muiden galaksien SMBH: iin. Itse asiassa jotkut SMBH: t tuottavat niin paljon energiaa nopeasti pyörivistä levyistään, että niiden keskialue (niiden galaktiset ytimet) heijastavat galaktisissa levyissään olevia tähtiä monta kertaa.

Itse asiassa aktiivisen galaktisen ytimen (AGN) läsnäolo on se, miten tähtitieteilijät ovat pystyneet määrittämään, että useimpien galaksien keskellä on SMBH. Parantamalla ymmärrystään mekanismeista, joita tehojätteet levittävät ja aiheuttavat SMBH: n kasvavan, tähtitieteilijät toivovat voivansa vastata vihdoin tähän kysymykseen.

****

Kaiken kaikkiaan noin 200 tähtitieteilijää ympäri maailmaa oli tärkeä osa mustan aukon ensimmäisen kuvan ottamisessa. Bouman kuvaili EHT-tiimiä "tähtitieteilijöiden, fyysikkojen, matemaatikkojen ja insinöörien sulatusuuniksi, ja se tarvitsi saavuttamaan jotain, jota kerran pidettiin mahdottomana".

Kun EHT-verkkoon lisätään lisäpalveluita - puhumattakaan säännöllisistä parannuksista laskennassa, kuvantamisessa ja tiedonjaossa - tutkijoiden odotetaan näkevän lisää mustia aukkoja pian. Oivallus, jonka tämä antaa universumissamme, ei varmasti ole pelkkää mielenrauhaa!

  • Tapahtuman Horisontti-kaukoputki
  • NASA Science - mustat reiät
  • Harvard Gazette - Musta reikä paljastettu
  • NSF - Tähtitieteilijät ottavat ensimmäisen kuvan mustasta reiästä
  • The Astrophysical Journal - Ensimmäiset M87-tapahtuman Horisontti-kaukoputken tulokset
  • Atlantti - piilotettu kuljetus ja käsittely mustan reiän kuvan takana
  • Harvard-Smithsonianin astrofysiikan keskus - CFA: lla on keskeinen rooli maamerkin mustan reiän kuvan sieppauksessa
  • MIT News - Yhdessä "virtuaaliteleskooppina" toimivat observatoriot ympäri maailmaa tuottavat ensimmäiset suorat kuvat mustasta aukosta


Katso video: Ensimmäinen kuva mustasta aukosta julkaistiin! Nuoret huijasivat McDonaldsin automaattikassaa? (Tammikuu 2022).