eso1907hu — Tudományos közlemények

Először alkottak képet egy fekete lyukról

Az ESO, az ALMA és az APEX is részt vett a távoli Messier 87 galaxis centrumát uraló szupernagy tömegű fekete lyuk paradigmaváltó észlelésében

2019. április 10.

Az Eseményhorizont Távcső (Event Horizon Telescope, EHT) nyolc földi rádióteleszkóp nemzetközi együttműködésben üzemeltetett bolygóméretű hálózata, amelyet arra terveztek, hogy képet alkossanak egy fekete lyukról. A mai napon az EHT kutatói világszerte egybehangolt sajtókonferenciákon jelentik be, hogy sikerrel jártak, bemutatva egy szupernagy tömegű fekete lyuk és árnyékának első látható bizonyítékát.

Az áttörést jelentő eredményt ma hozták nyilvánosságra a The Astronomical Journal Letters c. folyóirat különszámában megjelent hat szakcikkben. A kép a Virgo galaxishalmaz centrumát uraló M87 [1] galaxis központjában helyet foglaló fekete lyukat fedi fel, amely 55 millió fényévre van tőlünk, tömege pedig a Napénak 6,5 milliárdszorosa [2].

Az EHT a Föld különböző részein működő rádiótávcsöveket kapcsolja össze egyetlen, mindeddig példa nélküli bolygóméretű virtuális teleszkóppá [3]. Ez pedig új lehetőséget nyújt a kutatóknak a Világegyetem Einstein-féle általános relativitáselmélet által megjósolt szélsőséges objektumainak vizsgálatára, éppen az elméletet először igazoló tudománytörténeti jelentőségű mérés századik évfordulójának évében [4].

„Először alkottunk képet egy fekete lyukról” – mondja az EHT projekt igazgatója, Sheperd S. Doeleman (Center of Astrophysics | Harvard & Smithsonian). „A hatalmas tudományos előrelépés egy kétszáznál is több kutatóból álló csapat munkájának eredménye.”

A fekete lyukak hatalmas tömegű, de szélsőségesen kis méretű, rendkívüli kozmikus objektumok, amelyek környezetükre is szélsőséges hatásokat gyakorolnak: meggörbítik a téridőt, és óriási hőmérsékletűre fűtik az anyagot maguk körül.

„Egy fényes régióba, például izzó gázból álló korongba ágyazott fekete lyuk esetében azt várjuk, hogy árnyékhoz hasonló, az Einstein-féle általános relativitáselmélet által megjósolt sötét terület alakul ki körülötte, ilyet azonban eddig még nem sikerült megpillantanunk” – magyarázza Heino Falcke (Radboud University, Hollandia), az EHT tudományos tanácsának elnöke. „A gravitációs fényelhajlás és az eseményhorizonton csapdába esett fotonok által okozott árnyék sok mindent elárul a rendkívül érdekes objektumok természetéről, és lehetővé teszi, hogy megmérjük az M87 központi fekete lyukának elképesztően nagy tömegét.”

Az összetett kalibrációs és képalkotási módszerek gyűrűszerű, sötét központi részű – a fekete lyuk árnyéka – struktúrát fedtek fel, amely több független EHT-észlelés során is jelen volt.

„Amikor meggyőződtünk róla, hogy az árnyékról alkottunk képet, azt össze tudtuk vetni nagy számú, a fekete lyukak körüli fizikai folyamatokat  úgy mint a görbült tér fizikáját, a forró anyagot és az erős mágneses teret  modellező numerikus számítógépes eredményekkel. Számos megfigyelt részlet meglepően jól illeszkedik az elméletek által jósolt képpel” – jegyezte meg Paul T. P. Ho, az EHT vezetőségének tagja és a Kelet-Ázsiai Obszervatórium [5] igazgatója. „Az észlelt kép jól egyezik az elméleti előrejelzéseinkkel, így biztosak lehetünk megfigyeléseink értelmezésének helyességében, beleértve a fekete lyuk tömegére adott becslésünket is.” 

 

"Az elmélet és a megfigyelések összevetése mindig drámai pillanatot jelent az elméleti szakembereknek. Megkönnyebbültünk és büszkék voltunk, amikor kiderült, hogy a megfigyelések milyen jól egyeznek az előrejelzéseinkkel" – fejtette ki Luciano Rezzolla (Goethe Universität, Németország), az EHT vezetőségének tagja.

Már az EHT létrehozása is hatalmas kihívás volt, hiszen nyolc, a világ különböző részein, különböző – néha egészen nagy – tengerszint feletti magasságokban már üzemelő rádiótávcsövet kellett fejleszteni és összekapcsolni hozzá. A helyszínek között vannak hawaii és mexikói vulkánok, hegycsúcsok Arizonában vagy a spanyolországi Sierra Nevadában, de a chilei Atacama-sivatag és az Antarktisz sem maradt ki.

Az EHT az ún. nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) módszerét használja, amelynek során a Föld különböző részein működő távcsövek megfigyeléseit hangolják össze, a bolygó forgását kihasználva egy Föld-méretű, az 1,3 mm-es hullámhosszon észlelő virtuális teleszkópot létrehozva így. A VLBI technika lehetővé teszi, hogy az EHT elérje a 20 mikroívmásodperc szögfelbontást, amely elegendő lenne ahhoz is, hogy a New Yorkban kifüggesztett újságot egy párizsi kávézóból olvassuk [6].

Az eredmény elérésében használt teleszkópok a következők voltak: ALMAAPEX,  IRAM 30-meter telescope, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope, South Pole Telescope [7]. A távcsövek által gyűjtött több petabájt nyers adatot a Max Planck Rádiócsillagászati Intézet és az MIT Haystack Obszervatórima által üzemeltetett, erre a célra felkészített szuperszámítógépekkel dolgozták fel.

A világméretű összefogásban élvonalbeli európai távcsövek és európai pénzügyi finanszírozás is kulcsfontosságú szerepet játszottak, különösen az Európai Kutatási Tanács 14 millió eurós támogatása a BlackHoleCam projektnek [8], de az ESO, az IRAM és a Max Planck Társaság hozzájárulása is meghatározó volt. „Az eredmény a milliméteres hullámhossztartományú csillagászatban felhalmozódott évtizedes európai tapasztalatokon nyugszik” – jegyzi meg Karl Schuster, az IRAM igazgatója és az EHT vezetőségének tagja.

Az EHT létrehozása és a ma bejelentett megfigyelések több évtizedes észlelési, technikai és elméleti munka betetőzését jelentik. A globális csapatmunka szép példája a világ minden részén dolgozó kutatók legszorosabb együttműködését igényelte. Felhasználva a már létező infrastruktúrát és igénybe véve számos szervezet – köztük az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapja (NSF), az Európai Unió Európai Kutatási Tanácsa (ERC) és kelet-ázsiai pénzügyi alapok – támogatását, az EHT létrehozásában tizenhárom partnerintézmény működött közre.

„Nagy öröm az ESO számára, hogy európai vezető pozíciójának és az EHT Chilében működő két távcsövének – ALMA és APEX – létrehozásában és üzemeltetésében betöltött meghatározó szerepének köszönhetően hozzájárulhatott ehhez az eredményhez” – teszi hozzá Xavier Barcons, az ESO főigazgatója. „Az ALMA az EHT legnagyobb érzékenységű komponense, amelynek 66 nagy pontosságú antennája nélkülözhetetlen volt az EHT sikeréhez.”

„Olyan eredményt értünk el, amely még egy generációval ezelőtt is elképzelhetetlennek tűnt” – zárja a sort Doeleman. „Technológiai áttörések, a világ legjobb rádiótávcsöveinek összekapcsolása és innovatív algoritmusok vezettek oda, hogy teljesen új ablak nyílt a fekete lyukakra és eseményhorizontjaikra.”

Megjegyzés

[1] Egy fekete lyuk árnyéka az a térrész, ameddig képet alkothatunk magáról a fekete lyukról, egy egyébként teljesen sötét objektumról, amelyről még a fény sem tud elszökni. A fekete lyuk határa – az eseményhorizont, amelyről az EHT a nevét kapta – kb. 2,5-szer kisebb, mint az általa vetett árnyék, átmérője valamivel kisebb 40 milliárd kilométernél.

[2] A szupernagy tömegű fekete lyukak viszonylag kis méretű csillagászati objektumok, ezért idáig nem is lehetett közvetlenül megfigyelni őket. Mivel egy fekete lyuk eseményhorizontjának mérete arányos a tömegével, minél nagyobb ez utóbbi, annál nagyobb az árnyék. Óriási tömegének és viszonylagos közelségének köszönhetően az M87 fekete lyuka a Földről megfigyelhetők egyik legnagyobbika, tökéletes célpontot szolgáltatva így az EHT-nek.

[3] Bár a teleszkópok fizikailag nincsenek összekötve, az általuk rögzített adatokat enélkül is össze lehet hangolni, mégpedig atomórák – hidrogénmézerek – segítségével, amelyek pontosan megadják az észleléseik idejét. A megfigyeléseket 1,3 mm-es hullámhosszon végezték egy világméretű kampány során 2017-ben. Az EHT mindegyik antennája elképesztő mennyiségű adatot – naponta durván 350 terabájtot – szolgáltatott, amelyeket nagy teljesítményű, héliummal töltött merevlemezeken tároltak. Ezeket aztán repülővel a Max Planck Rádiócsillagászati Intézetben és az MIT Haystack Obszervatóriumában működő speciális szuperszámítógépekhez – ún. korrelátorokhoz – szállították, hogy azok egyesítsék az adatokat. A gépek pedig fáradhatatlanul dolgoztak, hogy azokból az együttműködés által kifejlesztett új számítástechnikai módszerekkel képet állítsanak elő.

[4] 100 évvel ezelőtt egy-egy expedíció indult az afrikai partok közelében fekvő Principe szigetére és a brazíliai Sobralba, hogy megfigyeljék az 1919-es napfogyatkozást, mégpedig azért, hogy a teszteljék az általános relativitáselméletet: kimérhető-e a csillagok fényének elhajlása a napkorong közvetlen közelében, ahogyan azt Einstein jósolta? Ezen észlelésekhez hasonlóan az EHT a világ legmagasabban fekvő és legelszigeteltebb rádiótávcsöveihez küldte csapatának tagjait, hogy újra teszteljék a gravitációra vonatkozó ismereteinket.

[5] Az EHT projektben résztvevő, The East Asian Observatory (EAO) nevű partner Ázsia több régióját is képviseli, ilyenek például Kína, Japán, Korea, Tajvan, Vietnám, Thaiföld, Malajzia, India és Indonézia.

 

[6] Az EHT észlelési érzékenysége a jövőben lényesen javulni fog az IRAM NOEMA Observatory, a Greenland Telescope és a Kitt Peak Telescope bekapcsolódásával.

[7] Az EHT távcsöveit a következő intézmények és országok működtetik. ALMA: European Southern Observatory (ESO; Európa, tagországi képviseletek), U.S. National Science Foundation (NSF), National Institutes of Natural Sciences (NINS, Japán), National Research Council (Kanada), Ministry of Science and Technology (MOST, Tajvan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA, Tajvan), Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI, Koreai Köztársaság), együttműködésben a Chilei Köztársasággal; APEX: ESO; 30-meter telescope: IRAM (az IRAM partnerszervezetei: MPG (Németország), CNRS (Franciaország) és IGN (Spanyolország));  James Clerk Maxwell Telescope: EAO; Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano: INAOE és UMass; Submillimeter Array: SAO és ASIAA; Submillimeter Telescope: Arizona Radio Observatory (ARO); South Pole TelescopeUniversity of Chicago, speciális EHT-műszerek: University of Arizona.

[8] A BlackHoleCam az EU által alapított projekt, amelynek feladata a csillagászati fekete lyukak jobb megértése, paramétereik meghatározása és képalkotás róluk. A BlackHoleCam és az Eseményhorizont Távcső (EHT) fő célja, hogy elkészítse az első képeket a közeli M87 galaxisban helyet foglaló milliárd naptömegű fekete lyukról, és kistestvéréről, a Tejútrendszer centrumát uraló Sagittarius A* jelű szupernagy tömegű fekete lyukról. Ez lehetővé teszi a téridő fekete lyukak által okozott görbületének extrém pontosságú meghatározását.

 

További információ

A kutatás eredményeit a The Astrophysical Journal Letters c. folyóirat különszámában ma megjelent, hat cikkből álló sorozatban közölték.

Az EHT projektben több mint 200 kutató vesz részt Afrikából, Ázsiából, valamint Észak- és Dél-Amerikából. A nemzetközi együttműködés azon dolgozik, hogy egy Föld-méretű virtuális távcsővel soha nem látott részletességű képet alkosson egy fekete lyukról. Figyelemre méltó nemzetközi beruházásokkal támogatva az EHT már működő távcsöveket kapcsol össze újszerű megoldásokkal, alapvetően új eszközt létrehozva így, amelynek szögfelbontása jóval meghaladja az eddig elérhetőt.

A munkába bevont egyedi távcsövek: ALMA, APEX, IRAM 30-meter Telescope, IRAM NOEMA Observatory, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Array (SMA), Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT), Kitt Peak Telescope, Greenland Telescope (GLT).