Een internationaal team van meer dan 200 astronomen, waaronder wetenschappers van MIT's Haystack Observatory, heeft de eerste directe beelden van een zwart gat vastgelegd. Ze bereikten deze opmerkelijke prestatie door de kracht van acht grote radio-observatoria op vier continenten te coördineren, om samen te werken als een virtuele, Telescoop ter grootte van de aarde.

In een reeks artikelen die vandaag in een speciale uitgave van Astrofysische journaalbrieven , het team heeft vier afbeeldingen onthuld van het superzware zwarte gat in het hart van Messier 87, of M87, een melkwegstelsel binnen het sterrenstelsel Maagd, 55 miljoen lichtjaar van de aarde.

Alle vier de afbeeldingen tonen een centraal donker gebied omringd door een ring van licht die scheef lijkt - aan de ene kant helderder dan aan de andere.

Albert Einstein, in zijn algemene relativiteitstheorie, voorspelde het bestaan ​​van zwarte gaten, in de vorm van oneindig dichte, compacte gebieden in de ruimte, waar de zwaartekracht zo extreem is dat niets, niet eens licht, van binnenuit kan ontsnappen. Per definitie, zwarte gaten zijn onzichtbaar. Maar als een zwart gat wordt omgeven door lichtgevend materiaal zoals plasma, Einsteins vergelijkingen voorspellen dat een deel van dit materiaal een "schaduw, " of een omtrek van het zwarte gat en zijn grens, ook wel de gebeurtenishorizon genoemd.

Gebaseerd op de nieuwe beelden van M87, de wetenschappers denken dat ze voor het eerst de schaduw van een zwart gat zien, in de vorm van het donkere gebied in het midden van elk beeld.

Relativiteit voorspelt dat het immense zwaartekrachtveld ervoor zal zorgen dat licht rond het zwarte gat buigt, vormt een heldere ring rond zijn silhouet, en zal er ook voor zorgen dat het omringende materiaal met bijna de lichtsnelheid rond het object draait. de heldere, scheve ring in de nieuwe afbeeldingen biedt visuele bevestiging van deze effecten:het materiaal dat naar ons uitkijkpunt gaat terwijl het ronddraait, lijkt helderder dan de andere kant.

Van deze afbeeldingen, theoretici en modelbouwers van het team hebben vastgesteld dat het zwarte gat ongeveer 6,5 miljard keer zo massief is als onze zon. Kleine verschillen tussen elk van de vier afbeeldingen suggereren dat materiaal razendsnel rond het zwarte gat raast.

"Dit zwarte gat is veel groter dan de baan van Neptunus, en Neptunus doet er 200 jaar over om rond de zon te gaan, " zegt Geoffrey Crew, een onderzoekswetenschapper bij Haystack Observatory. "Omdat het zwarte gat M87 zo massief is, een planeet die in een baan om de aarde draait, zou er binnen een week omheen draaien en met bijna de lichtsnelheid reizen."

"Mensen hebben de neiging om de lucht te zien als iets statisch, dat de dingen in de hemel niet veranderen, of als ze dat doen, het is op tijdschalen die langer zijn dan een mensenleven, " zegt Vincent Vis, een onderzoekswetenschapper bij Haystack Observatory. "Maar wat we vinden voor M87 is, met het zeer fijne detail dat we hebben, objecten veranderen op de tijdschaal van dagen. In de toekomst, we kunnen misschien films maken van deze bronnen. Vandaag zien we de startframes."

"Deze opmerkelijke nieuwe beelden van het zwarte gat M87 bewijzen opnieuw dat Einstein gelijk had, " zegt Maria Zuber, MIT's vice-president voor onderzoek en de E.A. Griswold hoogleraar Geofysica bij de afdeling Aarde, Atmosferische en planetaire wetenschappen. "De ontdekking werd mogelijk gemaakt door vooruitgang in digitale systemen waarin Haystack-ingenieurs lang hebben uitgeblonken."

"De natuur was aardig"

De beelden zijn gemaakt door de Event Horizon Telescope, of EHT, een array op planeetschaal bestaande uit acht radiotelescopen, elk in een afstandsbediening, omgeving op grote hoogte, inclusief de bergtoppen van Hawaï, De Sierra Nevada van Spanje, de Chileense woestijn, en de Antarctische ijskap.

Op een willekeurige dag, elke telescoop werkt onafhankelijk, het observeren van astrofysische objecten die zwakke radiogolven uitzenden. Echter, een zwart gat is oneindig veel kleiner en donkerder dan elke andere radiobron in de lucht. Om het duidelijk te zien, astronomen moeten zeer korte golflengten gebruiken - in dit geval 1,3 millimeter - dat kan door de wolken van materiaal tussen een zwart gat en de aarde snijden.

Het maken van een foto van een zwart gat vereist ook een vergroting, of "hoekresolutie, " gelijk aan het lezen van een tekst op een telefoon in New York vanuit een café in Parijs. De hoekresolutie van een telescoop neemt toe met de grootte van de ontvangende schotel. zelfs de grootste radiotelescopen op aarde zijn lang niet groot genoeg om een ​​zwart gat te zien.

Maar wanneer meerdere radiotelescopen, gescheiden door zeer grote afstanden, zijn gesynchroniseerd en gericht op een enkele bron in de lucht, ze kunnen werken als één zeer grote radioschotel, door middel van een techniek die bekend staat als interferometrie met zeer lange basislijn, of VLBI. Hun gecombineerde hoekresolutie kan daardoor enorm worden verbeterd.

Voor EHT, de acht deelnemende telescopen vormden een virtuele radioschotel zo groot als de aarde, met de mogelijkheid om een ​​object tot 20 microboogseconden op te lossen - ongeveer 3 miljoen keer scherper dan 20/20 vision. Door een gelukkig toeval, dat is ongeveer de precisie die nodig is om een ​​zwart gat te bekijken, volgens de vergelijkingen van Einstein.

"De natuur was goed voor ons, en ons iets heeft gegeven dat net groot genoeg is om te zien met behulp van de modernste apparatuur en technieken, " zegt Bemanning, co-leider van de EHT-correlatiewerkgroep en het ALMA Observatory VLBI-team.

"Klodders gegevens"

Op 5 april, 2017, de EHT begon M87 te observeren. Na het raadplegen van talrijke weersvoorspellingen, astronomen identificeerden vier nachten die duidelijke omstandigheden zouden opleveren voor alle acht observatoria - een zeldzame kans, waarin ze als één collectief gerecht konden werken om het zwarte gat te observeren.

In de radioastronomie, telescopen detecteren radiogolven, bij frequenties die binnenkomende fotonen registreren als een golf, met een amplitude en fase die worden gemeten als een spanning. Toen ze M87 observeerden, elke telescoop nam datastromen op in de vorm van spanningen, weergegeven als digitale nummers.

"We're recording gobs of data—petabytes of data for each station, " Crew says.

In totaal, each telescope took in about one petabyte of data, equal to 1 million gigabytes. Each station recorded this enormous influx that onto several Mark6 units—ultrafast data recorders that were originally developed at Haystack Observatory.

After the observing run ended, researchers at each station packed up the stack of hard drives and flew them via FedEx to Haystack Observatory, in Massachusetts, and Max Planck Institute for Radio Astronomy, in Duitsland. (Air transport was much faster than transmitting the data electronically.) At both locations, the data were played back into a highly specialized supercomputer called a correlator, which processed the data two streams at a time.

As each telescope occupies a different location on the EHT's virtual radio dish, it has a slightly different view of the object of interest—in this case, M87. The data received by two separate telescopes may encode a similar signal of the black hole but also contain noise that's specific to the respective telescopes.

The correlator lines up data from every possible pair of the EHT's eight telescopes. From these comparisons, it mathematically weeds out the noise and picks out the black hole's signal. High-precision atomic clocks installed at every telescope time-stamp incoming data, enabling analysts to match up data streams after the fact.

"Precisely lining up the data streams and accounting for all kinds of subtle perturbations to the timing is one of the things that Haystack specializes in, " says Colin Lonsdale, Haystack director and vice chair of the EHT directing board.

Teams at both Haystack and Max Planck then began the painstaking process of "correlating" the data, identifying a range of problems at the different telescopes, fixing them, and rerunning the correlation, until the data could be rigorously verified. Only then were the data released to four separate teams around the world, each tasked with generating an image from the data using independent techniques.

"It was the second week of June, and I remember I didn't sleep the night before the data was released, to be sure I was prepared, " says Kazunori Akiyama, co-leader of the EHT imaging group and a postdoc working at Haystack.

All four imaging teams previously tested their algorithms on other astrophysical objects, making sure that their techniques would produce an accurate visual representation of the radio data. When the files were released, Akiyama and his colleagues immediately ran the data through their respective algorithms. belangrijk, each team did so independently of the others, to avoid any group bias in the results.

"The first image our group produced was slightly messy, but we saw this ring-like emission, and I was so excited at that moment, " Akiyama remembers. "But simultaneously I was worried that maybe I was the only person getting that black hole image."

His concern was short-lived. Soon afterward all four teams met at the Black Hole Initiative at Harvard University to compare images, en gevonden, with some relief, and much cheering and applause, that they all produced the same, lopsided, ring-like structure—the first direct images of a black hole.

"There have been ways to find signatures of black holes in astronomy, but this is the first time anyone's ever taken a picture of one, " Crew says. "This is a watershed moment."

"A new era"

The idea for the EHT was conceived in the early 2000s by Sheperd Doeleman Ph.D. '95, who was leading a pioneering VLBI program at Haystack Observatory and now directs the EHT project as an astronomer at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Destijds, Haystack engineers were developing the digital back-ends, recorders, and correlator that could process the enormous datastreams that an array of disparate telescopes would receive.

"The concept of imaging a black hole has been around for decades, " Lonsdale says. "But it was really the development of modern digital systems that got people thinking about radio astronomy as a way of actually doing it. More telescopes on mountaintops were being built, and the realization gradually came along that, Hallo, [imaging a black hole] isn't absolutely crazy."

In 2007, Doeleman's team put the EHT concept to the test, installing Haystack's recorders on three widely scattered radio telescopes and aiming them together at Sagittarius A*, the black hole at the center of our own galaxy.

"We didn't have enough dishes to make an image, " recalls Fish, co-leader of the EHT science operations working group. "But we could see there was something there that's about the right size."

Vandaag, the EHT has grown to an array of 11 observatories:ALMA, APEX, the Greenland Telescope, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the Kitt Peak Telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

Coordinating observations and analysis has involved over 200 scientists from around the world who make up the EHT collaboration, with 13 main institutions, including Haystack Observatory. Key funding was provided by the National Science Foundation, the European Research Council, and funding agencies in East Asia, including the Japan Society for the Promotion of Science. The telescopes contributing to this result were ALMA, APEX, the IRAM 30-meter telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

More observatories are scheduled to join the EHT array, to sharpen the image of M87 as well as attempt to see through the dense material that lies between Earth and the center of our own galaxy, to the heart of Sagittarius A*.

"We've demonstrated that the EHT is the observatory to see a black hole on an event horizon scale, " Akiyama says. "This is the dawn of a new era of black hole astrophysics."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.