Először alkottak képet egy fekete lyukról

 

Az Európai Déli Csillagvizsgáló (ESO) ALMA és APEX antennái is részt vettek a távoli M87 galaxis centrumát uraló szupernagy tömegű fekete lyuk paradigmaváltó észlelésében.

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 jelentették be, hogy sikerrel jártak, bemutatva egy szupernagy tömegű fekete lyuk és árnyékának első látható bizonyítékát.

Egy fekete lyukról alkotott első kép. Az objektum az M87 katalógusjelű óriás elliptikus galaxis centrumában helyezkedik el. (EHT)

“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 létrehozott kép a Virgo galaxishalmaz centrumát uraló M87 galaxis központjában helyet foglaló fekete lyukat fedi fel, amely 55 millió fényévre van tőlünk, tömege pedig a Napénak 6,5 milliárdszorosa.

ESO Kozmikus Gyöngyszemek Program
Az M87 a Földtől 55 millió fényévre, a Szűz csillagkép irányában elhelyezkedő hatalmas elliptikus galaxis. Charles Messier fedezte fel 1781-ben, de a 20. századig nem azonosították galaxisként. Tömege kb. kétszerese a saját galaxisunkénak, és legalább tízszer annyi csillagot tartalmaz, mint a Tejútrendszer, ezekkel a paraméterekkel pedig az Univerzum közeli részének egyik legnagyobb galaxisa. Az alapadatok mellett az M87-nek van még néhány különleges tulajdonsága. Például szokatlanul sok gömbhalmaz található benne: míg a Tejútrendszer nagyjából kétszáz ilyen objektumot tartalmaz, az M87-ben kb. 12 ezer van. Néhány kutató úgy véli, hogy ezeket kisebb szomszédaitól gyűjtötte be. Mint minden más nagy galaxis esetében, az M87 centrumában is egy szupernagy tömegű fekete lyuk foglal helyet. A fekete lyuk tömege nem független a galaxis egészének tömegétől, így nem meglepetés, hogy az M87 fekete lyuka az ismertek közül a legnagyobbak közé tartozik. A fekete lyukakkal magyarázható a galaxisok legnagyobb energiájú jelenségeinek egyike is, a közel fénysebességgel kidobódó anyag alkotta relativisztikus kifújások. A fekete lyukat az Eseményhorizont Távcsővel végzett paradigmaváltó észlelések célpontjának választották, két okból is. Bár a felbontása szinte hihetetlen, még az EHT-nek is vannak korlátai. Minél nagyobb tömegű egy fekete lyuk, annál nagyobb az átmérője, így az M87 központi fekete lyuka szokatlanul nagy méretű célpont, ami azt jelenti, hogy a közelebbi, de kisebb fekete lyukaknál könnyebben leképezhető. A választás másik oka már sokkal inkább “evilági”: az M87 bolygónkról nézve az égi egyenlítő közelében helyezkedik el, ezért az északi és a déli félteke nagy részéről is megfigyelhető. Így az EHT teleszkópjai közül a lehető legtöbb irányulhatott rá, növelve ezzel a végső kép felbontását. (ESO Kozmikus Gyöngyszemek Program)

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 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. A szupernagy tömegű fekete lyukak tehát 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.

Egy fekete lyuk első képére várva Jordy Davelaar és kollégái létrehozták a lenyűgöző asztrofizikai objektumok virtuálisvalóság-szimulációját, amelyben a fekete lyukat fénylő anyag veszi körül. Ez az anyag spirálozva zuhan a fekete lyukba, de a szélsőséges körülmények miatt előtte még izzó plazma lesz belőle. A kibocsátott fény aztán a fekete lyuk rendkívül erős gravitációs terében elhajlik és torzul. (Jordy Davelaar)

“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.

A fantáziarajz a fotonok útját mutatja egy fekete lyuk közelében. A gravitációs térben bekövetkező fényelhajlás és a fotonok eseményhorizonton történő befogása okozza az árnyékot, amelyről az Eseményhorizont Távcső képet alkotott. (EHT)

“Amikor meggyőződtünk róla, hogy az árnyékról alkottunk képet, azt össze tudtuk vetni nagy számú, a fekete lyukak körüli változatos fizikai folyamatokat modellező numerikus számítógépes eredménnyel” – teszi hozzá Luciano Rezzolla (Goethe Universität, Németország), az EHT vezetőségének tagja. “Az észlelt kép jól egyezik az elméleti előrejelzéseinkkel, így biztosak lehetünk megfigyeléseink értelmezésének helyességében, beleértve a fekete lyuk tömegére adott becslésünket is.”

A fantáziarajz egy tömegbefogási korong által övezett gyorsan forgó szupernagy tömegű fekete lyukat ábrázol. Az örvénylő anyag alkotta vékony korong egy Naphoz hasonló csillag maradványa, amelyet a fekete lyuk árapályereje szaggatott szét. A fekete lyuk megjelölése segít a rendkívüli objektum anatómiájának elképzelésében. (EHT)

Az EHT a Föld különböző részein működő rádiótávcsöveket kapcsolja össze egyetlen, mindeddig példa nélküli bolygóméretű virtuális teleszkóppá. 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. (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.)

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 interferometria alapkoncepciója Az NRAO posztere az interferometria alapjait magyarázza, amely lehetővé tette, hogy az Eseményhorizont Távcső képet alkosson az M87 központi fekete lyukáról. (NRAO)

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. 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 – naponta durván 350 terabájt – adatot 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.

EHT: egy bolygóméretű hálózat. A kép az EHT-t alkotó távcsövek közül néhánynak az elhelyezkedését és a távcsövek közötti hosszú bázisvonalakat mutatja. (EHT)

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, 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.

A chilei Andok-hegység magasan fekvő Chajnantor-fennsíkján az Európai Déli Obszervatórium (ESO) nemzetközi partnereivel közösen működteti az Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) antennarendszert. A csúcstechnikájú hálózat képes érzékelni a Világegyetem leghűvösebb objektumainak gyenge sugárzását. Ennek hullámhossza nagyjából egy milliméter, az infravörös- és a rádiósugárzás közé esik, így a neve milliméteres és szubmilliméteres sugárzás. Az ALMA összesen 66 nagy pontosságú parabolaantennából áll, amelyek egy nagyjából 16 km átmérőjű területen elszórva helyezkednek el. Ma ez a legnagyobb világméretű összefogással megvalósult működő földfelszíni csillagászati vállalkozás. A panorámakép az ALMA antennáit mutatja, felettük a Tejút íve húzódik. Az ALMA meghatározó eleme nyolc földi rádióteleszkóp nemzetközi együttműködésben üzemeltetett bolygóméretű hálózatának, az Eseményhorizont Távcsőnek, amelyet arra terveztek, hogy képet alkossanak egy fekete lyukról. (ESO)

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.”

Az ESO által üzemeltetett APEX (Atacama Pathfinder Experiment) teleszkóp a Föld egyik legmagasabban elhelyezkedő obszervatóriumában, az Atacama-sivatagban 5100 m magasságban fekvő Chajnantor-fennsíkon működik. Az APEX 12 méter átmérőjű, a rádiótartomány és az infravörös hullámhosszak közötti milliméteres és szubmilliméteres tartományban működő távcső. A szubmilliméteres csillagászat a hideg és poros égitestekre, valamint a Világegyetem nagyon távoli részeire nyit ablakot. Ezeknek az égitesteknek a gyenge jeleit azonban a Föld légkörének páratartalma jelentős részben elnyeli. A Chajnantor-fennsík ideális helyszín egy ilyen műszernek, mivel a bolygó egyik legszárazabb vidékén található, és 2400 m-rel magasabban fekszik, mint az ESO VLT távcsőegyüttese a Cerro Paranal Obszervatóriumban, de még a Mauna Kea Obszervatóriumnál is 750 m-rel magasabban van. Az APEX meghatározó eleme nyolc földi rádióteleszkóp nemzetközi együttműködésben üzemeltetett bolygóméretű hálózatának, az Eseményhorizont Távcsőnek, amelyet arra terveztek, hogy képet alkossanak egy fekete lyukról. (ESO)

Az EHT projektben több mint 200 kutató vesz részt Afrikából, Ázsiából, valamint Észak- és Dél-Amerikából. Az eredmény elérésében használt teleszkópok a következők voltak: ALMA, APEX, IRAM 30-meter telescope, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope, South Pole Telescope.

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

Forrás: csillagászat.hu

eso1907 – Tudományos közlemények