Tähtitieteilijöiden ottama ensimmäinen kuva mustasta aukosta Messier 87 -galaksin keskustassa. Kuva saatiin käyttämällä teleskooppien verkostoa Event Horizon Telescopea. Kuvassa musta aukko näkyy vasten sen tapahtumahorisontin ympärillä pyörivää kuumaa kaasua, jonka säteilemää valoa voimakas painovoimakenttä taivuttaa. Kuva: EHT-yhteistyöhanke
Aalto-yliopisto osallistui käänteentekeviin havaintoihin jättimäisestä mustasta aukosta Messier 87 -galaksin ytimessä.
Tänään pidetyissä lehdistötilaisuuksissa Event Horizon Telescopen eli EHT:n tutkijat paljastivat, että he ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet kuvaamaan supermassiivisen mustan aukon ja sen varjon. Läpimurto julkistettiin kuuden tieteellisen artikkelin sarjana The Astrophysical Journal Letters-lehden erityisnumerossa.
Kuva paljastaa Neitsyen galaksijoukossa sijaitsevan massiivisen Messier 87 -galaksin [1] keskustassa olevan mustan aukon olemassaolon. Tämä musta aukko sijaitsee 55 miljoonan valovuoden etäisyydellä Maasta, ja sen massa vastaa 6,5 miljardin Auringon massaa [2].
EHT yhdistää eri puolilla maapalloa sijaitsevia teleskooppeja koko maapallon kokoiseksi virtuaaliseksi teleskoopiksi [3]. EHT:n ansiosta tutkijoilla on käytössään uusi keino Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamien Universumin äärimmäisten kohteiden tutkimiseen sata vuotta sen jälkeen, kun historialliset kokeet ensimmäistä kertaa vahvistivat teorian [4].
“Olemme ottaneet ensimmäisen kuvan mustasta aukosta”, EHT-projektin johtaja Sheperd S. Doeleman (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian) sanoo. “Tämä on ainutlaatuinen tieteellinen saavutus, jonka toteuttamisessa on ollut mukana yli 200 tutkijaa.”
Pieni koko, valtava massa
Mustat aukot ovat poikkeuksellisia kosmisia kohteita: massaltaan valtavia, mutta kooltaan hyvin pieniä. Mustat aukot vaikuttavat ympäristöönsä taivuttaen aika-avaruutta ja kuumentaen niiden ympärillä olevaa ainetta.
“Jos musta aukko on kirkkaasti säteilevän kaasukiekon ympäröimä, oletamme aukon muodostavan varjon kaltaisen tumman alueen. Tämä on Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustama ilmiö, jota emme ole koskaan aikaisemmin nähneet”, EHT:n tiedeneuvoston puheenjohtaja Heino Falcke Hollannista Radboudin yliopistosta kertoo.
“Tämä varjo on seurausta gravitaation aiheuttamasta valon taipumisesta sekä valon katoamisesta tapahtumahorisonttiin.”
Useat eri kalibrointi- ja kuvantamismenetelmät paljastivat rengasmaisen rakenteen, jossa on tumma keskusalue eli mustan aukon varjo. Tulos pysyi samana useissa riippumattomissa EHT:n havainnoissa.
“Kun olimme varmoja, että olemme saaneet kuvattua varjon, pystyimme vertaamaan tulosta tarkkoihin tietokonemalleihin, jotka sisältävät taipuneen avaruuden, ylikuumentuneen aineen ja voimakkaiden magneettikenttien fysiikkaa. Havainnoista saatu kuva vastaa hyvin meidän teoreettista käsitystämme”, kertoo Paul T.P. Ho, EHT:n hallituksen jäsen ja East Asian Observatoryn johtaja. “Se tekee meidät luottavaisiksi havaintojemme tulkinnasta, mukaan lukien arviomme mustan aukon massasta.”
Kahdeksan teleskoopin verkosto
EHT:n rakentaminen oli valtava haaste, joka vaati maailmanlaajuisen, kahdeksan olemassa olevan teleskoopin päivittämistä ja yhdistämistä verkostoksi. Teleskoopit sijaitsevat hyvin korkeilla paikoilla: Havaijin ja Meksikon tulivuorilla, Arizonan ja Espanjan Sierra Nevadan vuoristoissa, Chilen Atacaman autiomaassa ja Etelämantereella.
EHT:n havainnoissa käytetään pitkäkantainterferometria (very long baseline interferometry VLBI) -nimistä tekniikkaa, jossa ympäri maailmaa sijaitsevia teleskooppeja käytetään yhdessä. Maapallon omaa pyörimistä hyödyntämällä teleskoopit muodostavat valtavan, koko Maan kokoisen teleskoopin, joka tekee havaintoja 1,3 mm:n aallonpituudella. VLBI:n avulla EHT saavuttaa 20 mikrokaarisekunnin erotuskyvyn, mikä vastaa sitä, että pariisilaisesta kahvilasta pystyttäisiin lukemaan New Yorkissa olevaa sanomalehteä [5].
Kahdeksan mukana ollutta teleskooppia ovat ALMA, APEX, IRAM 30-metre Telescope, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope, ja South Pole Telescope [6]. Teleskoopeista saatu raakadata, jota on petatavuittain, yhdistettiin radiotähtitieteen Max Planck instituutin ja MIT:n Haystackin observatorion supertietokoneilla.
EHT:n rakentaminen ja tänään julkistetut havainnot ovat vuosikymmenten työn huipentuma. Kolmetoista kumppanuusinstituuttia ovat yhdessä muodostaneet EHT:n hyödyntämällä olemassa olevaa infrastruktuuria ja useiden eri laitosten tukea. US National Science Foundation (NSF), Euroopan tutkimusneuvosto (ERC) ja Itä-Aasian tutkimusrahoittajat ovat olleet hankkeen päärahoittajina [7].
Aalto-yliopisto on ollut mukana analysoimassa EHT:n dataa. ”Kuvan muodostaminen datasta oli tehtävä äärimmäisen huolellisesti. Vaikka prosessi tuntui välillä tuskastuttavan hitaalta, juuri menetelmien kattava testaus ja analyysien riippumattomat tarkistukset ovat edellytys luotettavalle tulokselle”, kertoo EHT-yhteistyöhankkeen ainoa suomalaisjäsen Tuomas Savolainen Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasemalta. ”Huolellisuus totisesti kannatti. Olemme Metsähovissa tutkineet aktiivisia galakseja jo vuosikymmenten ajan ja nyt meillä vihdoin on suora todiste siitä, että niiden voimanlähde todella on supermassiivinen musta aukko.”
“Olemme tehneet jotain, mitä edellinen sukupolvi piti vielä mahdottomana”, EHT-projektin johtaja Sheperd S. Doeleman sanoo. “Teknologiset läpimurrot, maailman parhaiden radioteleskooppien väliset yhteydet ja innovatiiviset algoritmit avasivat kaikki yhdessä uuden ikkunan mustien aukkojen ja tapahtumahorisonttien tutkimukseen.”
_______________________________________________________________________
Lisähuomiot
[1] Itse musta aukko on täysin pimeä kappale, josta valo ei pysty pakenemaan. Siksi mustan aukon kuvaamisella tarkoitetaankin sen ympäröivää säteilyä vasten näkyvän varjon kuvaamista. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa varjon olevan noin 2,5 kertaa suurempi halkaisijaltaan kuin itse mustan aukon tapahtumahorisontti, joka M87:n tapauksessa on noin 40 miljardia kilometriä. Mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi.
[2] Supermassiiviset mustat aukot ovat suhteellisen pieniä tähtitieteen kohteita, mikä teki pitkään niiden suoran havaitsemisen mahdottomaksi. Koska mustan aukon tapahtumahorisontin koko on verrannollinen sen massaan, varjon koko kasvaa mustan aukon massan kasvaessa. M87:n mustan aukon valtava massa ja suhteellinen läheisyys tekivät siitä erinomaisen kohteen EHT:lle.
[3] Vaikka teleskoopit eivät fyysisesti ole yhteydessä toisiinsa, ne pystyvät synkronoimaan vastaanotetun datan erittäin tarkkojen atomikellojen (vetymaserit) avulla. Nämä havainnot tehtiin 1,3 mm:n aallonpituudella vuonna 2017. Jokainen EHT:n teleskooppi tuotti valtavan määrän dataa (noin 350 teratavua päivittäin), joka tallennettiin erittäin tehokkaille helium-täytteisille kovalevyille. Tämä data syötettiin aivan erityisiin supertietokoneisiin, korrelaattoreihin, Max Planckin radiotähtitieteen instituutissa ja MIT:n Haystackin observatoriolla ja yhdistettiin. Sitten data muunnettiin kuvaksi yhteistyöverkoston valmistamia edistyneitä työkaluja käyttäen.
[4] 100 vuotta sitten kaksi retkikuntaa lähti Afrikan rannikolle Principe Islandiin ja Sobralille Brasiliaan. Niiden tavoitteena oli vuoden 1919 auringonpimennystä havainnoimalla testata yleistä suhteellisuusteoriaa eli käytännössä tarkkailla, taipuisiko tähdestä tuleva valo sen kulkiessa Auringon reunan läheltä, kuten Einsteinin teoria ennusti. Myös EHT on lähettänyt ryhmänsä jäseniä maailman korkeimmilla ja eristyneimmillä paikoilla oleville radioteleskoopeille testatakseen jälleen kerran ymmärrystämme gravitaation luonteesta.
[5] Tulevaisuuden EHT-havainnot ovat merkittävästi tarkempia, kun IRAM NOEMA -observatorio, Greenland Telescope ja Kitt Peak Telescope tulevat mukaan.
[6] ALMA-kumppanuushankkeessa ovat mukana Euroopan eteläinen observatorio (ESO) U.S. National Science Foundation (NSF) ja Japanin National Institutes of Natural Sciences (NINS) yhdessä National Research Councilin (Kanada), Ministry of Science and Technologyn (MOST, Taiwan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysicsin (ASIAA; Taiwan) ja Korea Astronomy and Space Science Instituten (KASI; Republic of Korea) sekä yhteistyössä Chilen Tasavallan kanssa. ESO operoi APEXia, 30-metrin teleskooppia operoi IRAM (IRAMin kumppaniorganisaatiot ovat MPG (Saksa), CNRS (Ranska) ja IGN (Espanja)), James Clerk Maxwell Telescopea operoi EAO, Large Millimeter Telescope Alfonso Serranoa operoivat INAOE ja UMass, Submillimeter Arraytä operoivat SAO ja ASIAA ja Submillimeter Telescopea operoi Arizona Radio Observatory (ARO). South Pole Telescopea operoi Chicagon yliopisto, jonka erityisen EHT-laitteiston Arizonan yliopisto on toimittanut.
[7] East Asian Observatory (EAO) on EHT-projektin kumppani, ja se edustaa useita alueita Aasiasta sisältäen Kiinan, Japanin, Korean, Taiwanin, Vietnamin, Thaimaan, Malesian, Intian ja Indonesian.