Supermassiivinen musta aukko valokuvassa

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 r_s = (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.