eso2208-eht-mwfi — Tutkimustiedote
Tänään, samanaikaisissa lehdistötilaisuuksissa ympäri
maailmaa, myös Euroopan eteläisen observatorion (ESO) päämajassa Saksassa, on
julkistettu mullistava uusi tulos. Tähtitieteilijät paljastivat ensimmäisen
kuvan galaksimme ytimessä olevasta mustasta aukosta. Tämä tulos antaa ylivoimaista
näyttöä siitä, että kohde todellakin on musta aukko. Tulos antaa arvokkaita
vihjeitä näiden jättiläisten toiminnasta, joiden uskotaan löytyvän useimpien
galaksien keskeltä. Kuvan on tuottanut Event Horizon Telescope (EHT)
Collaboration -tutkimusryhmä käyttämällä maailmanlaajuisen
radioteleskooppiverkoston tekemiä havaintoja.
 |
Event Horizon Telescope (EHT) yhteistyöhankkeen tutkijat
ovat koostaneet kuvan (ylhäällä) oman galaksimme keskustan mustasta aukosta,
nimeltään Sagittarius A* (tai Sgr A*), yhdistämällä suuren joukon EHT:n
havainnoista laadittuja kuvia. Pääkuva on tehty keskiarvoistamalla tuhansia yksittäisiä
kuvia, jotka on laadittu erilaisia laskentamenetelmiä käyttäen, ja jotka kaikki
sopivat tarkasti EHT:n mittausdataan. Tämä keskiarvoistettu kuva säilyttää ne
piirteet, jotka esiintyvät vaihtelevissa kuvissa usein ja toisaalta vaimentaa
niitä piirteitä, jotka esiintyvät harvoin. EHT:n laatimat kuvat voidaan myös jakaa neljään ryhmään
niiden samankaltaisten piirteiden perusteella. Alarivin neljä keskiarvoistettua
kuvaa edustavat näitä ryhmiä. Kolmen ryhmän kuvissa esiintyy rengasmainen
rakenne, joskin kirkkaat alueet näissä renkaissa ovat jakautuneet eri tavalla ryhmien
välillä. Neljännessä ryhmässä esiintyy kuvia, joissa ei ole rengasmaista
rakennetta. Pylväsdiagrammit alarivin kuvissa esittävät kuhunkin ryhmään
kuuluvien kuvien suhteellista osuutta. Jokaisessa kolmesta ensimmäisestä
ryhmästä on tuhansia kuvia, kun taas neljäs ja pienin ryhmä sisältää vain
joitain satoja kuvia. Pylväiden korkeudet kuvaavat sitä suhteellista
painoarvoa, joka kullakin ryhmällä on ylärivin keskiarvoistetussa
kuvassa. Tämän kuvan takana olevaan EHT-verkostoon kuuluvat muiden
tutkimuslaitosten lisäksi Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)
ja Atacama Pathfinder Experiment (APEX), jotka sijaitsevat Chilessä Atacaman
autiomaassa. ESO on yksi näiden teleskooppien omistajista ja se hallinnoi
teleskooppeja Euroopassa jäsenvaltioidensa puolesta. Kuva: EHT Collaboration. |
Kuva on kauan odotettu näkymä galaksimme keskellä olevaan
massiiviseen kohteeseen. Tutkijat olivat aiemmin nähneet tähtien kiertävän
jotain näkymätöntä, kompaktia ja erittäin massiivista kappaletta Linnunradan
keskellä. Tämä viittasi vahvasti siihen suuntaan, että kohde, joka tunnetaan
nimellä Sagittarius A* (Sgr A*) on musta aukko. Tämän päivän kuva on siitä
ensimmäinen suora, visuaalinen todiste.
Vaikka itse mustaa aukkoa ei voi nähdä, sitä ympäröivä kertymäkiekko,
hehkuvaa kaasua, paljastaa mustan aukon ominaisen tunnusmerkin. Tummaa
keskialuetta, jota kutsutaan varjoksi, ympäröi kirkas rengasmainen rakenne.
Uuteen kuvaan on tallentunut valoa, jota mustan aukon valtava gravitaatio
taivuttaa. Musta aukko on yli neljä miljoonaa kertaa massiivisempi kuin
Aurinko.
”Meitä hämmästytti se, kuinka tarkasti renkaan koko
vastasi Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvia ennusteita”, sanoi
Geoffrey Bower, EHT-projektitutkija tähtitieteen ja astrofysiikan
instituutista Academia Sinica Taipeista Taiwanista. ”Nämä
ennennäkemättömät havainnot ovat edistäneet huomattavasti käsitystämme siitä,
mitä aivan galaksimme ytimessä tapahtuu ja miten tällaiset jättimäiset mustat
aukot ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa.” EHT-tiimin
tulokset julkaistiin tänään The Astrophysical Journal Letters -lehden
erikoisnumerossa.
Koska musta aukko on noin 27 000 valovuoden etäisyydellä
Maasta. Kuvatakseen mustaa aukkoa tiimi yhdisti kahdeksan maailman eri
kolkissa sijaitsevaa radioteleskooppia yhdeksi maapallon kokoiseksi
virtuaaliteleskoopiksi [1].
EHT havainnoi 2017 Sagittarius A*:ta useana yönä keräten tietoa monen tunnin
ajalta eli samalla periaatteella kuin käytettäessä pitkää valotusta
tavallisella kameralla.
Muiden havaintoyksiköiden lisäksi radio-observatorioiden
muodostamaan EHT-verkostoon kuuluvat Atacama Large Millimeter/submillimeter
Array (ALMA) ja Atacama Pathfinder Experiment (APEX) Atacaman autiomaassa
Chilessä. ESO on yksi näiden teleskooppien omistajista ja se hallinnoi
teleskooppeja Euroopassa jäsenvaltioidensa puolesta. Eurooppa osallistuu
EHT-havaintoihin myös muilla radio-observatorioillaan: IRAM 30-metrin
teleskooppi Espanjassa ja vuodesta 2018 lähtien NOrthern Extended Millimeter
Array (NOEMA) Ranskassa, sekä supertietokone, jolla EHT-data yhdistetään Max
Planck Institute for Radio Astronomy -instituutissa Saksassa. Tämän lisäksi
Eurooppa on rahoittanut EHT-konsortiohanketta Euroopan tutkimusneuvoston ja
Saksan Max Planck Society -yhdistyksen avustuksilla.
”On erittäin jännittävää, että ESO:lla on ollut niin
tärkeä rooli mustien aukkojen ja erityisesti Sgr A*:n mysteerien
selvittämisessä useiden vuosien ajan”, kommentoi ESO:n pääjohtaja Xavier
Barcons. ”ESO ei ainoastaan osallistunut EHT-havaintoihin ALMA- ja
APEX-observatorioiden kautta, vaan oli mukana myös muiden Chilessä sijaitsevien
observatorioiden kautta joissain aikaisemmissa galaksimme keskustaa koskevissa
läpimurtohavainnoissa.” [3]
Ennen tätä läpimurtoa EHT-yhteistyöhanke julkaisi vuonna
2019 ensimmäisen kuvan M87*-nimisestä mustasta aukosta, joka on kauempana
olevan Messier 87 -galaksin keskellä.
Nämä kaksi mustaa aukkoa näyttävät huomattavan
samanlaisilta, vaikka oman galaksimme musta aukko on yli tuhat kertaa pienempi
ja vähemmän massiivinen kuin M87* [2]. ”Kyseessä
on kaksi hyvin erilaista galaksia ja kaksi erilaista mustaa aukkoa. Kun
katsomme mustien aukkojen reunoja tarpeeksi läheltä, ne näyttävät kuitenkin
hämmästyttävän samalta”, sanoi Sera Markoff, EHT:n
tiedeneuvoston puheenjohtaja ja teoreettisen astrofysiikan professori Amsterdamin
yliopistosta Hollannista. ”Tämä kertoo meille, että mustan aukon
lähellä yleinen suhteellisuusteoria määrittää, miltä ne näyttävät. Kaikki erot,
joita näemme kauempana, johtuvat eroista aukkoja ympäröivässä aineessa.”
Sagittarius A*:n kuvaaminen oli huomattavasti haastavampi
tehtävä kuin M87*:n kuvaaminen, vaikka Sagittarius A* on paljon lähempänä
maapalloa. EHT-tutkija Chi-kwan Chan Yhdysvalloissa sijaitsevasta
Arizonan yliopiston Steward-observatoriosta selitti: ”Kaasu liikkuu
molempien mustien aukkojen läheisyydessä samalla nopeudella, lähes
valonnopeudella. Kun kaasulla kestää päiviä tai viikkoja kiertää suuremman
M87*:n ympäri, kaasu ehtii paljon pienemmän Sagittarius A*:n ympäri muutamassa
minuutissa. Tämän takia Sagittarius A*:n ympärillä olevan kaasun kirkkaus ja
muodostelma muuttui nopeaa tahtia EHT:n havainnoidessa sitä. Kuin yrittäisi
ottaa selkeän kuvan koiranpennusta, joka jahtaa häntäänsä täyttä vauhtia.”
Tutkijoiden oli kehitettävä uusia työkaluja, jotka pystyivät
ottamaan kaasun liikkeen huomioon. M87* oli helpompi ja vakaampi kohde, josta
otetut kuvat näyttivät lähes aina samalta mutta toisin oli Sagittarius A*:n
osalta. Nyt julkaistu kuva on keskiarvo tiimin ottamista eri kuvista, joista
lopulta paljastui ensimmäistä kertaa galaksin keskellä piileskelevä
jättiläinen.
Mullistavan kuvan ottaneeseen EHT-yhteistyöhankkeeseen
kuului yli 300 tutkijaa 80 eri yliopistosta ympäri maailmaa. Tiimi kehitti
monimutkaisia työkaluja Sagittarius A*:n kuvaamiseen liittyvien haasteiden
ratkaisemiseksi ja työskenteli uupumatta viiden vuoden ajan. Dataa yhdisteltiin
ja analysoitiin supertietokoneilla, ja havaintojen vertailuun kerättiin
ennennäkemätön kirjasto simuloiduista mustista aukoista.
Kahden eri kokoisen mustan aukon kuvat avaavat tutkijoille
uusia mahdollisuuksia ymmärtää niiden samankaltaisuuksia ja eroja. Tutkijat
ovat myös alkaneet käyttää uutta kuvaa testatakseen teorioita ja malleja siitä,
miten kaasu käyttäytyy supermassiivisten mustien aukkojen ympärillä. Tätä
prosessia ei vielä ymmärretä täysin, mutta sen uskotaan olevan tärkeässä
roolissa galaksien muodostumisessa ja kehittymisessä.
”Nyt näiden kahden supermassiivisen mustan aukon välisiä
eroja voidaan tutkia ja saada arvokkaita uusia vihjeitä tämän tärkeän prosessin
toiminnasta”, sanoi EHT:n tutkija Keiichi Asada tähtitieteen ja
astrofysiikan instituutista Academia Sinica Taipeista Taiwanista. ”Meillä
on nyt kuvia kahdesta mustasta aukosta, joista toinen on maailmankaikkeuden supermassiivisten
mustien aukkojen suuremmasta päästä ja toinen pienemmästä. Siksi painovoiman
toimintaa näissä äärimmäisissä ympäristöissä voidaan tutkia paljon
syvällisemmin kuin ennen.”
EHT:n kehitys jatkuu edelleen: maaliskuussa 2022
järjestetyssä havaintokampanjassa oli mukana enemmän teleskooppeja kuin koskaan
ennen. EHT-verkoston jatkuvan laajentumisen ja merkittävien teknologisten
kehitysaskeleiden ansiosta tutkijat voivat lähitulevaisuudessa tuottaa mustista
aukoista entistä vaikuttavampia kuvia ja videoita.
---
Tämä tutkimus on esitelty kuudessa tänään The Astrophysical
Journal Letters -lehdessä julkaistussa tieteellisessä artikkelissa.
EHT-yhteistyöverkostoon kuuluu yli 300 tutkijaa Afrikasta,
Aasiasta, Euroopasta, Pohjois- ja Etelä-Amerikasta. Kansainvälisen yhteistyön
tarkoituksena on maailman tarkimpien musta aukko kuvien ottaminen virtuaalista
maapallon kokoista virtuaaliteleskooppia käyttäen. Huomattavan kansainvälisen
panostuksen avulla EHT yhdistää olemassa olevia teleskooppeja uusien
järjestelmien avulla ja siten muodostaa olennaisesti uuden havaintolaitteen,
minkä erotuskyky on suurempi kuin millään muulla laitteella.
EHT-konsortio koostuu 13:sta sidosryhmään kuuluvasta
instituutista: Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics,
University of Arizona, University of Chicago, East Asian Observatory,
Goethe-Universitaet Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large
Millimeter Telescope, Max Planck Institute for Radio Astronomy, MIT Haystack
Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute
for Theoretical Physics, Radboud University ja Smithsonian Astrophysical
Observatory.
ALMA (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) on
kansainvälinen tähtitieteen tutkimusyksikkö, joka on ESO:n, Yhdysvaltain
kansallisen tiedesäätiön NSF:n ja Japanin kansallisten
luonnontiedeinstituuttien NINS:n välinen kumppanuushanke yhteistyössä Chilen
tasavallan kanssa. ALMA:a rahoittavat Euroopassa Euroopan eteläinen
observatorio (ESO), Pohjois-Amerikassa (NSF) yhteistyössä Kanadan kansallisen
tutkimusneuvoston (NRC) ja Taiwanin kansallisen tiedeneuvoston (NSC) kanssa
sekä Itä-Aasiassa yhteistyössä Taiwanin Academia Sinican (AS) ja Korean
tähtitieteen ja avaruustieteiden instituutin (KASI) kanssa. ALMA:n rakentamista
ja toimintaa ohjaa ESO, Pohjois-Amerikan osalta Kansallinen radiotähtitieteen
observatorio (NRAO), jota hallinnoi Associated Universities, Inc. (AUI), ja
Itä-Aasian osalta Japanin Kansallinen tähtitieteellinen observatorio (NAOJ).
Yhteinen ALMA-observatorio (JAO) huolehtii ALMA:n rakentamisen, kokoonpanon ja
operaation yhtenäisestä johdosta ja hallinnoinnista.
APEX (Atacama Pathfinder EXperiment) on infrapunasäteilyn ja
radioaaltojen väliin sijoittuvia millimetri- ja alimillimetriaaltoja
havainnoiva 12-metrinen teleskooppi. ESO operoi teleskooppia 5 100 metrin
korkeudella korkealla Chajnantorin tasangolla Chilessä Atacaman alueella.
Paikka on yksi maailman korkeimmalla paikalla sijaitsevista obervatorioista.
Teleskooppi on Max Planck Institute for Radio Astronomyn (MPIfR) ja Onsala
Space Observatoryn (OSO), sekä ESO:n yhteishanke.
ESO perustettiin hallitustenväliseksi järjestöksi vuonna
1962 ja nykyään ESO:ssa on mukana 16 jäsenvaltiota (Itävalta, Belgia,
Tšekki, Tanska, Ranska, Suomi, Saksa, Irlanti, Italia, Alankomaat, Puola,
Portugali, Espanja, Ruotsi, Sveitsi ja Yhdistynyt kuningaskunta) yhdessä
Chilen isäntävaltion kanssa ja Australian kanssa strategisena kumppanina. ESO:n
pääkonttori ja sen vierailijakeskus ja planetaario, ESO Supernova, sijaitsevat
lähellä Müncheniä Saksassa.
Chilen Atacaman aavikko on upea paikka, jossa on
ainutlaatuiset olosuhteet tähtitaivaan tarkkailuun. ESO:lla on kolme
havaintopaikkaa: La Silla, Paranal ja Chajnantor. Paranalissa ESO
operoi Very Large Telescope (VLT) kaukoputkea ja siihen liittyvää Very Large
Telescope Interferometria sekä paikalla sijaitsevia
taivaankartoitusteleskooppeja: infrapuna-alueella toimivaa VISTAa ja näkyvän
valon alueella toimivaa VLT Survey Teleskooppia.
Paranalissa ESO isännöi ja operoi myös Cherenkov Telescope
Array South havaintolaitetta, joka on maailman suurin ja herkin gamma-alueella
havaitseva observatorio. ESO operoi yhdessä kansainvälisten kumppaneiden kanssa
APEX- ja ALMA-observatriota Chajnantorilla, jotka ovat kaksi millimetri- ja
alimillimetrin alueella toimivaa havaintolaitetta. ESO rakentaa parhaillaan
Paranalin lähelle Cerro Armazonesille "maailman suurinta silmää
taivaalle”, ESO:n Erittäin suurta kaukoputkea (Extremely Large Telescope, ELT).
