Veliki trenutak za znanost i astronomiju.
Uvijek nam je zadovoljstvo saznati više o mjestima u svemiru. Bilo da se radi o novom otkriću o vodi, ledu, planetarnim uvjetima ili bilo čemu drugom – svaka nova činjenica stavlja komadić u beskrajnu slagalicu misterije o svemiru. Međutim, mislim da ništa ne nadmašuje osjećaj kada zapravo vidite nešto o čemu ste čuli tijekom cijelog svog života, a savršen primjer je prva slika crne rupe koju smo dobili relativno nedavno.
U travnju 2019. međunarodni tim astronoma predstavio je prve rezultate teleskopa Event Horizon, mreže od osam radio-zvjezdarnica smještenih širom zemlje. Znanstvenici su uspjeli sinkronizirati podatke s ovih teleskopa i dobiti izravnu sliku crne rupe galaksije M87.
Što je Event Horizon teleskop i kako radi?
Čak su i supermasivne crne rupe pronađene u središtima mnogih galaksija, uključujući i našu Mliječnu stazu, relativno mali objekti, zbog čega je bilo onemogućeno njihovo izravno promatranje. Nijedan zemaljski teleskop nema dovoljnu razlučivosti da vidi područja ove veličine. Sjetimo se da razlučivost ovisi o omjeru λ / D, gdje je λ valna duljina primljenog zračenja, a D veličina teleskopa. Što je valna duljina kraća i što je teleskop veći, to je bolja kutna razlučivost i sitniji detalji je lakše uočiti.
Teleskop Horizon Event (EHT) dizajniran je posebno za snimanje crnih rupa. To je sustav nekoliko zemaljskih radio teleskopa smještenih na različitim mjestima na Zemlji. Korištenje metode interferometrije s vrlo dugačkom bazom i rotacijom našeg planeta omogućuje njihovo kombiniranje u jedan divovski teleskop veličine globusa.
Zahvaljujući najsuvremenijim algoritmima za obradu podataka, EHT je postigao kutnu razlučivost od oko 20 mikrosekundi, što je jednako mogućnosti čitanja naslova na Mjesecu. Za usporedbu, razlučivost Hubbleova teleskopa promjera 2,4 metra iznosi oko 0,05 arcsekundi, što je 2500 puta gore.
Stvaranje EHT-a bio je složen tehnički izazov, čije je rješenje zahtijevalo organizaciju i ispravljanje pogrešaka svjetske mreže teleskopa. Iako teleskopi nisu fizički povezani jedni s drugima, podaci promatranja koje su dobili morali su biti vrlo precizno sinkronizirani pomoću atomskog sata. Pripremni rad trajao je 10 godina i došao 290 milijuna dolara.
Projekt EHT nisu samo teleskopi već i međunarodni tim od više od 200 astronoma iz 60 istraživačkih organizacija iz Europe, Azije, Afrike, Sjeverne i Južne Amerike. Da bi se na temelju promatranja, teorijskih i simulacijskih studija dobila slika crne rupe, bio je potreban razvoj algoritama za obradu podataka.
Dobivanje prve slike crne rupe
EHT je promatrao M87 četiri dana. Od 5. do 11. travnja 2017.
Promatranja su provedena na valnoj duljini od 1,3 mm. To je praktički minimalna valna duljina na kojoj je moguće promatrati svemirske objekte u radio-dometu na Zemlji. Činjenica je da Zemljina atmosfera nije prozirna za sve valne duljine elektromagnetskog zračenja.
Radio astronomija djeluje u prozoru atmosferske prozirnosti od 1 mm do oko 30 m. Manje valne duljine atmosferske molekule plina, u prvom redu vodena para, gotovo u potpunosti apsorbiraju, a velike ionosfera odbija natrag u svemir. Podsjetimo da je za dobivanje visoke razlučivosti potrebna kratka valna duljina.
Rad na tako kratkim valnim duljinama povezan je s mnogim problemima: povećana buka u elektronici, apsorpcija zračenja u atmosferi, povećana kolebanja faza uzrokovana atmosferskim turbulencijama.
Svaki EHT teleskop tijekom kampanje primao je enormnu količinu podataka: 350 terabajta dnevno. Snimljeni su na tvrde diskove visokih performansi, koji su poslani na obradu na specijalizirana superračunala – korelatore instalirane na Max Planck Institute for Radio Astronomy (Njemačka) i Haystack Observatory (MIT, USA).
Nakon sofisticiranih postupaka, korištenjem najnovijih računalnih metoda koje su razvili sudionici projekta, ti su podaci pretvoreni u slike. Trebale su dvije i pol godine da se obradi nekoliko petabajta podataka sa svih teleskopa. Inače, ovakva količina glazbe snimljene u mp3 formatu slušala bi se tisućama godina.
Radi objektivnosti u 2018. tim je podijeljen u četiri skupine, od kojih je svaka obrađivala podatke neovisno od ostalih, koristeći različite metode. Kako bi se zaštitile od pristranosti, skupine nisu imale međusobnog kontakta. Sve su skupine dobile slične rezultate, što govori o njihovoj pouzdanosti.
Imajte na umu da je u radijskom opsegu, gdje je valna duljina dovoljno velika, nemoguće dobiti fotografiju predmeta u uobičajenom smislu. Podaci o pojedinačnim fragmentima slike složeno su šifrirani u podacima interferometra. Složenim proračunima izvlače se te informacije i dobiva se slika iz fragmenata.
Međutim, griješe oni koji kažu da to nisu stvarne slike. Podsjetimo da se u slikanju magnetskom rezonancijom (MRI) slike također formiraju pomoću računalne obrade podataka, ali objektivno odražavaju stvarno stanje tijela i uspješno se koriste za dijagnostiku u medicini.
Zašto M87?
Pretpostavlja se da u svakoj galaksiji postoji mnogo crnih rupa s masama bliskim masi zvijezda, ali su njihove veličine premale za promatranje. Supermasivne crne rupe u središtima galaksija mnogo su veće, ali nalaze se mnogo dalje. Trenutno su za promatranje dostupne dvije supermasivne crne rupe: jedna u središtu naše Galaksije (Sgr A *), druga u divovskoj eliptičnoj galaksiji M87 iz zviježđa Djevica.
Crna rupa u središtu galaksije M87 udaljena je od Zemlje 54 milijuna svjetlosnih godina – dvije tisuće puta dalje od Sgr A *, ali po astronomskim standardima vrlo je blizu. Veličina horizonta događaja crne rupe proporcionalna je njezinoj masi. Crna rupa u M87 ima masu od 6,5 milijardi Sunčevih masa, 1500 puta veću od mase Strijelca A *.
Zbog ogromne mase i relativne blizine Zemlje, crna rupa u središtu galaksije M87 jedna je od najvećih u pogledu kutnih dimenzija za zemaljskog promatrača, što ju je učinilo idealnom metom za istraživanje. Njegov horizont događaja je 22 mikrosekunde, tek nešto manji od Sgr A * kojemu je 53 mikrosekunde. Usporedna je s kutnom veličinom kutije šibica postavljene na Mjesec.
Drugi razlog za odabir M87 je taj što je vidljiv i sa sjeverne i s južne Zemljine polutke. Stoga ga može promatrati velik broj zemaljskih teleskopa, što zauzvrat omogućuje povećanje razlučivosti dobivenih slika.
Treba imati na umu da je zbog velike mase crna rupa u M87 manje hlapljiva od Sgr A * (karakteristično vrijeme varijabilnosti je dan u odnosu na minute). Varijabilnost ometa promatranje jer ograničava vrijeme potrebno za primanje stabilnog signala. Uz to, Sgr A * leži za nas u galaktičkoj ravnini i skriven je oblacima plina i prašine. Istraživači će morati riješiti ove probleme kako bi dobili Sgr A *
https://kozmos.hr/moguce-je-da-izvanzemaljci-koriste-crne-rupe-za-kretanje-svemirom/
Zašto je slika crne rupe mutna?
To je prije svega zbog činjenice da razlučivost još uvijek nije dovoljno visoka, usporediva je s veličinom same crne rupe. Zamislite malu sliku naslikanu debelim kistom. Međutim, visoka razlučivost u ovom slučaju ne znači visoku kvalitetu slike.
Činjenica je da je EHT prikupio podatke iz crne rupe koristeći mali broj teleskopa koji su radili prilično kratko vrijeme. Ti su teleskopi zauzeti mnogim drugim istraživanjima. Svakim mjerenjem dobiveni su podaci samo o malom dijelu proučavanog područja.
Štoviše, interferometrijom se slika visoke razlučivosti dobiva samo u smjeru ravne crte koja povezuje dva korištena teleskopa. Budući da mjerenja nisu bila dovoljna za istraživanje cijelog područja, između dobivenih ulomaka bilo je mnogo neistraženih mjesta.
Tako su istraživači tada morali rekonstruirati kompletnu sliku popunjavanjem praznih mjesta. Izgleda kao djelomično raspadnuta mozaična slika na zidu, od koje je ostalo samo nekoliko zasebnih fragmenata, a sada restauratori od njih trebaju obnoviti izvornu sliku. Ove praznine popunjavaju razvijeni algoritmi vizualizacije, stvarajući sliku crne rupe.
Naravno, nemoguće je dobiti stvarne detalje slike koje spadaju u ispunjeno područje, jer je, zapravo, jednostavno preslikana na određeni način. Zato je slika mutna, bez sitnih detalja.
Inače, slični algoritmi mogu se naći u računalnim programima koji rade s fotografijama. Kada povećate fotografiju, program proširuje svoje piksele, popunjavajući praznine između njih prema određenom algoritmu. Lako je vidjeti da tako fotografija gubi oštrinu i postaje mutna.
Ali tada se postavlja pitanje: u kojoj mjeri rekonstruirana slika odgovara stvarnosti, jer se iz fragmenata mozaika može stvoriti mnogo mogućih slika? Tada znanstvenici koriste modeliranje, koje omogućava da od svih mogućih slika, odaberu one koje izgledaju najrazumnije.
Drugi je problem neoptimalno mjesto postojećih teleskopa za njihovu upotrebu za proučavanje određenih objekata pomoću interferometrije.
Ali uspješno rješenje ovog problema daje nam nadu da će se i drugi teleskopi pridružiti istraživanju te da će se izdvojiti dovoljno vremena za mjerenja kako bi se dobila jasna i detaljna slika crne rupe.
Zašto je ovaj događaj važan?
Astrofizičari su dugo sumnjali u postojanje crnih rupa, ali do sada je to bio samo model koji je vrlo dobro opisao brojne astrofizičke pojave: zračenje galaktičkih jezgri, dvostruki sustav X-zraka, itd. Da, bez toga je teško objasniti promatrane pojave, ali svejedno je to bio model.
Ali sada je činjenica da smo crnu rupu vidjeli vlastitim očima.Uz to, prvi put je dobivena eksperimentalna potvrda rotacije crnih rupa.
Rad EHT-a u cjelini nije donio nove rezultate. Mnoga svojstva rezultirajuće slike čak su i iznenađujuće dobra u skladu s teorijskim konceptima. Ali, s druge strane, daje povjerenje u ispravnost metoda za mjerenje i tumačenje rezultata, uključujući procjene mase crne rupe.
U budućnosti će modificirana metoda i promatranja većih razmjera, moguće uz sudjelovanje svemirskog teleskopa, omogućiti detaljno promatranje procesa oko crne rupe, koji su također do sada bili samo model. Zahvaljujući tome, astrofizičari će moći “srediti” pitanja o jakim gravitacijskim učincima koji se očekuju u blizini crne rupe, o ponašanju materije u blizini crne rupe, uključujući mehanizam pojave mlazova.
Promatranja se mogu koristiti za ispitivanje opće relativnosti i različitih alternativnih teorija gravitacije koje predviđaju, na primjer, različite oblike “sjena”. Dakle, opća relativnost predviđa da će “sjena” crne rupe biti okrugla, dok druge teorije sugeriraju da je stisnuta duž različitih osi i da ima složen oblik. No, da biste uvidjeli razlike, morate steći jasniju sliku o tome.
Jedan od daljnjih ciljeva EHT-a je shvatiti zašto je, za razliku od drugih galaksija, supermasivna crna rupa u središtu Mliječne staze relativno zamagljen objekt – njezina je svjetlina tek nekoliko stotina puta veća od Sunčeve.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram-t.me/kozmoshr
Izvori:
• Castelvecchi, D. (2020, September 23). The first-ever image of a black hole is now a movie.
• Loff, S. (2019, April 10). Black Hole Image Makes History; NASA Telescopes Coordinate Observation.
• Lutz, O. (2019, April 19). How Scientists Captured the First Image of a Black Hole – Teachable Moments.
• Tafreshi, P. (2019, April 10). First-ever picture of a black hole unveiled.
