Maapallon kokoinen radioteleskooppi tarvitaan tuottamaan
riittävästi tarkkaa dataa, jotta supermassiivisesta mustasta aukosta galaksin
M87 ytimessä saadaan luotua kuva. Kuvan erotuskyky on 20 µas ja siinä näkyy
mustan aukon ympärillä oleva hehkuva, 10 miljardin K lämpötilainen
plasmakiekko, joka tunnetaan kertymäkiekkona.
Kuvassa on galaksin M87 keskustassa oleva musta aukko. Kuva ESO/Event Horizon Telescope Collaboration. |
Kyseinen teleskooppi on nimetty Tapahtumahorisontti teleskoopiksi, lyhyemmin EHT (Event Horizon Telescope) ja se on koottu
kahdeksasta eri radio-observatoriosta eri puolilla maapalloa. Jotta teleskoopit
toimisivat saumattomasta yhdessä, tarvitaan valtavasti työtä, erikoistekniikkaa
kuten atomikelloja, rahoitusta 28 miljoonan euron verran ja viimekädessä
nerokasta ajattelua ja kovaa työtä.
Monen teleskoopin käytön idea on toimia yhdessä
interferometrinä. Projektiin osallistunut ALMA-observatorio (Atacama Large Millimetre Array) on
itsekin tätä samaa menetelmää käyttävä observatorio, joten muiden
observatorioiden liittäminen samaan verkkoon voisi ajatella olevan helppo juttu.
Aivan näin yksinkertainen asia ei kuitenkaan ole!
Yksi asioita mutkistava tekijä on kerätyn datan siirtäminen
supertietokoneen käsittelyyn. Internetin yli tapahtuu hyvin paljon tiedon
siirtoa, mutta tässä tapauksessa datamäärän suuruudesta [1] johtuen
tutkijat eivät voineet tähän turvautua. Ainoa tapa millä data saadaan
käsiteltäväksi, on sen tallentaminen kovalevyille ja niiden kuljettaminen
fyysisesti käsittelykeskuksiin [2].
Galaksi M87 näkyvässä valossa otettussa kuvassa. Kuva ESO. |
Mittaustietojen oheen tarvitaan riittävän tarkka aikaleima,
jotta datan yhdistäminen olisi mahdollista. Aikaleima saatiin aikaiseksi keskenään
synkronoiduilla atomikelloilla. Ennen varsinaista datan yhdistämistä
mittaustiedot joudutaan vielä korreloimaan, sillä jokaisessa observatoriossa
kohteen erilainen korkeus aiheuttaa oman eroavaisuuden havaittuun dataan.
Observatorioiden [3] fyysinen sijainti tuotti
omat vaikeutensa. Etelämantereella sijaitsevan observatorion tallentama data
saatiin toimitettua käsittelykeskukseen yli puolen vuoden odottelun jälkeen,
sillä lentoliikennettä Etelämantereelle ei ole eteläisen pallonpuoliskon talven
aikana.
Datan kokoaminen kahdesta valitusta kohteesta (Linnunradan
keskustan Sagitarius A* ja galaksin M87 [4] Neitsyen tähdistössä) näkyvyys
kaikille observatoriolle määräsi mahdolliset havaintoajat. Tämän lisäksi
sääolosuhteiden piti olla hyvät, sillä ilmakehän häiriöt heikensivät
mittausdatan tarkkuutta tai jopa voivat estää koko mittauksen. Tutkijoilla oli
kuitenkin onni matkassa ja keväällä 2017 avautui sopiva havaintoikkuna [5],
jolloin havaintoja pystyttiin tekemään jopa viitenä vuorokautena peräkkäin.
Hubble avasuusteleskoopilla otettu kuva M87:n mustan aukon läheisyydestä lähtevästä suihkusta. Kuva NAS/STScI/AURA. |
Datan käsittelyvaiheen jälkeen ensimmäinen kuva mustan aukon
kertymäkiekosta oli valmis julkaistavaksi. Se tehtiin keskiviikkona 10.
huhtikuuta 2019. Kohteena oli ellipsigalaksi M87 ytimessä sijaitseva
supermassiivinen musta aukko, jonka massaksi arvioidaan noin 6,5 miljardiksi
auringonmassaksi. Koko galaksin massaksi arvioidaan noin 2,4 biljoonaa (2.4 ±
0.6) × 1012) auringonmassaa. Tapahtumahorisontin säde on noin 130 au
[6], joten se ulottuisi omassa Aurinkokunnassamme kauas
Kuiperinvyöhön. Kertymäkiekon halkaisija on noin 25 000 au (säde 12 500
au). Kuvissa näkyvä keskustan tumma alue on ns. musta aukon varjo ja sen säde on
noin 2,6× tapahtumahorisontin säteeseen verrattuna.
Hyvin mielenkiintoiseksi asian tekee se, että ennen
todellisen datan käsittelyä, kohteesta tehtiin useita erilaisia simulointeja.
Yllättävää on se, kuinka hyvin simuloinnit jo varhaisessa vaiheessa osuvat
yksiin todella havaitun kanssa.
Kuvia katsellessa kiinnittyy huomio kirkkauseroihin kiekon
eri osissa. Kirkkausero johtuu voimakkaasta Doppler-ilmiöstä, sillä plasman
nopeus on hyvin lähellä valonnopeutta kertymäkiekon sisäosassa.
Nyt julkaistiin kuva vain M87 galaksin mustasta aukosta.
Linnunradan mustan aukon kuvan luominen osoittautui isompaa mustaa aukkoa
haastavammaksi ja tutkijoiden täytyy vielä kehitellä datan käsittelyä, ennen kuin
kuvan luominen onnistuu. Kun Linnunradan musta aukon kuvan luominen on
onnistunut, niin uskoakseni myös tulemme näkemään uudistuneen kuvan M87 mustasta
aukosta.
Mustien aukkojen lyhyt
historia
Vuonna 1784 englantilainen astronomi John Michell päätyi tutkimuksissaan ajatukseen, että jos tähdellä
olisi riittävästi massaa, niin valokaan ei pääsisi poistumaan siitä. Hän
nimitti tällaista tähteä ”pimeäksi tähdeksi”.
Seuraava askel mustien aukkojen historiassa otettiin Albert Einsteinin julkaistessa
gravitaatioteoriansa (=Suhteellisuusteoria) vuonna 1915. Heti tämän jälkeen,
vuonna 1916, Karl Schwarzschild, Johannes
Droste ja opiskelija Hendrik Lorentz
toisistaan tietämättä päätyi tulokseen, että Einsteinin yhtälöt mahdollistavat
matemaattisen singulariteetin (=musta aukko) olemassa olon, jolle ei voi
määrittää kokoa ja jonka massa voi olla kuinka suuri tahansa.
Seuraavalla vuosikymmenillä kävi ilmeiseksi, että jos
tähdellä olisi riittävästi massaa, se voisi luhistua mustaksi aukoksi tai niin
kuin silloin sitä kutsuttiin ”jäätyneeksi tähdeksi”. Vuonna 1939 Robert Oppenheimer & al.
päättelivät, että neutronitähti, joka ylittää massaltaan Tolman – Oppeheimer- Volkoffin rajan luhistuu mustaksi aukoksi.
Nykyisin havaintoihin perustuen tämä TOV-raja
on noin 2,17 auringonmassaa. Tutkijakolmikko myös tulkitsivat, että Schwarzschild’in säteen etäisyydellä aika
näytti pysähtyvän. Tästä syystä myös nimitystä ”jäätynyt tähti” käytettiin
kuvaamaan mustia aukkoja.
Nimityksen Tapahtuma horisontti tuli käyttöön vuonna 1958
kun David Finkelstein määritteli Schwarzschild’in pinnan
yksisuuntaiseksi, eikä valo pääse poistumaan sen sisäpuolelta.
Seuraava edistysaskel mustien aukkojen tutkimuksissa
tapahtui vuonna 1963, kun Roy Kerr löysi
tarkan matemaattisen ratkaisun pyörivälle mustalle aukolle. Pyörivän aukon
tapahtumahorisontin ulkopuolelle syntyy kurpitsan muotoinen ergosfääri, jossa
aika-avaruus kiertyy musta aukon mukana. Pari vuotta myöhemmin tutkija Kerr ja Ezra Newman loivat teorian mustien
aukkojen massasta, kulmamomentista ja sähkövarauksesta (jotka ovat säilyviä
suureita).
Seuraavat vuodet olivat mustien aukkojen kiihkeää
tutkimuskautta. Vuonna 1974 Stephen
Hawking osoitti kvanttikenttäteorian mahdollistavan mustien aukkojen säteilevän
termistä säteilyä. Säteilyn voimakkuus oli kääntäen verrannollinen musta aukon
massaan.
Teoria on tulkittava siten, että suurimassaisen mustan aukon
lämpötila on alempi ja pienempi massaisen korkeampi: esimerkiksi Auringon
massaisen musta aukon lämpötila olisi noin 60 nK kun taas Kuun massaisen musta
aukon lämpötila olisi noin 2,7 K. Edelleen tästä vedetty päätelmä osoittaa,
että kosminen mikroaaltotaustasäteily kasvattaa mustien aukkojen massaa mutta
hyvin pienet aukot sen sijaan menettävät sitä. Lopulta noin vuoren massaiset
mustat aukot menettävät massaansa niin nopeasti, että ennen kokonaan
katoamistaan ne loistaisivat noin 200× kirkkaammin kuin Aurinko.
Huomautukset
[1] jokaisen observatorion tuottama data oli määrältään noin
5000 teratavua. Kaiken kaikkiaan dataa kerättiin useita petatavuja ja yhdellä
havaintokerralla noin 350 Ttavua. (1 Teratavu on 1012 tavua tai 1015
bittiä, yleisesti kotioloissa käytettyjen kiintolevyjen tallennuskapasiteetti
on 1 T bittiä.)
[2] Max Planckin instituutti Bonnissa (Saksa) ja
MIT-Haystackin observatorio Westfordissa Massachusetissa.
[3] Havaintoihin
osallistuneet observatoriot ovat: ALMA, APEX, IRAM-30meter telescope, James Clerk Maxwell telescope,
Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimetre Array, Submillimetre
Telescope ja South Pole Telescope. Tutkimukseen on osallistunut 59
tutkimuslaitosta ja yli 200 tutkijaa.
[4] Galaksin etäisyys on noin 55 miljoonaa valovuotta.
[5] Huhtikuun 5. – 10. päivinä.
[6] Tapahtumahorisontin (Schwarzschildin) säde lasketaan
kaavalla rs = (2GM) ÷ c2. Aikaisemmin M87
musta aukon massaksi ilmoitettiin 3,5 –6,6 miljardia auringonmassaa, mutta nyt tämän
uutisoinnin yhteydessä massaksi yleisesti ilmoitetaan noin 6,5 miljardia, joka on
EHT-tutkimusryhmän käyttämä. Näillä luvuilla laskettuna tapahtumahorisontin
säteeksi saadaan noin 130 au.