EHT:lla maailman tarkimmat maanpäälliset havainnot

Event Horizon Telescope (EHT) -yhteistyöverkosto on tehnyt testihavaintoja Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) -teleskoopilla ja muilla havaintolaitteilla, joiden avulla on saavutettu suurin Maan pinnalta havaittu erotuskyky^[1]. Suuri tarkkuus saavutettiin havaitsemalla kaukaisista galakseista peräisin olevaa valoa noin 345 GHz:n taajuudella, joka vastaa 0,87 mm:n aallonpituutta. Yhteistyöverkosto arvioi, että tulevaisuudessa he pystyvät ottamaan 50 prosenttia aiempaa tarkempia kuvia mustista aukoista, jolloin supermassiivisten mustien aukkojen rajojen ulkopuolella välittömässä läheisyydessä oleva alue erottuu paremmin. Lisäksi tutkijat pystyvät myös kuvaamaan useampia mustia aukkoja mitä toistaiseksi on havaittu. Uudet havainnot ovat osa pilottikokeilua, ja ne julkaistiin tänään The Astronomical Journal -lehdessä.

Tässä maailmankartassa keltaiset pisteet osoittavat niiden antennien ja teleskooppiverkostojen sijainnit, jotka osallistuivat Event Horizon Telescope (EHT) -yhteistyöverkoston toteuttamaan pilottikokeeseen. Kokeessa käytettiin ensimmäistä kertaa onnistuneesti erittäin pitkän perusviivan interferometriatekniikkaa, jossa satojen tai tuhansien kilometrien päässä toisistaan olevat teleskoopit yhdistetään havaitsemaisemmalla radiosäteilyä 0,87 mm:n aallonpituudella. Havainnoimalla valoa tällä lyhyemmällä aallonpituudella EHT:n tutkijat pystyivät saavuttamaan korkeamman resoluution ilman suurempaa teleskooppia. Tehtyjen havaintojen resoluutio on paras, mitä maapallon pinnalta on koskaan saatu.

Tutkimukseen osallistuivat seuraavat havaintoyksiköt: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ja Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) Chilessä, 30-metrinen IRAM-teleskooppi (30-M) Espanjassa ja NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) Ranskassa sekä Grönlannin teleskooppi (Greenland Telescope, GLT) ja Submillimeter Array (SMA) Havaijilla. ESO on ALMA:n kumppani sekä APEX:in isäntä ja yhteistyökumppani. Kuva ESO/M. Kornmesser.

EHT-yhteistyöverkosto julkaisi kuvia M87*:stä, M87-galaksin keskellä olevasta supermassiivisesta mustasta aukosta, vuonna 2019, ja Sgr A*:sta, Linnunradan keskustassa olevasta mustasta aukosta, vuonna 2022. Nämä kuvat saatiin liittämällä useat eri radio-observatoriot eri puolilla planeettaa yhdeksi ”Maan kokoiseksi” virtuaaliteleskoopiksi VLBI-menetelmää (Very Long Baseline Interferometry) käyttäen.

Tähtitieteilijät käyttävät yleensä suuria teleskooppeja ottaakseen tarkkoja kuvia, tai hyödyntävät havainnoissa observatorioiden välistä suurempaa keskinäistä etäisyyttä interferometria-menetelmää käyttäen. Koska EHT on jo Maan kokoinen, niin maanpäällisten havaintojen resoluution lisääminen vaati toisenlaista lähestymistapaa. Parantaakseen teleskoopin resoluutiota voidaan havaita lyhyemmällä aallonpituudella, ja juuri näin EHT-yhteistyöverkosto on nyt tehnyt.

”Otimme ensimmäiset EHT:n kuvat mustista aukoista 1,3 millimetrin aallonpituudella, mutta näkemämme kirkas rengas, joka muodostui mustan aukon gravitaation taivuttamasta valosta, näytti edelleen epäselvältä, koska kuvien terävyyden ehdoton yläraja oli saavutettu”, sanoi tutkimusta johtanut Alexander Raymond, joka on aiemmin työskennellyt postdoc-tutkijana Harvardin ja Smithsonianin astrofysiikan keskuksessa (CfA, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian) ja nykyisin hän työskentelee Yhdysvalloissa sijaitsevassa Jet Propulsion Laboratory'ssa. ”Käyttämällä 0.87 millimetrin havaintoja kuvistamme tulee terävämpiä ja yksityiskohtaisempia, mikä puolestaan todennäköisesti paljastaa kohteista uusia ominaisuuksia, sekä aiemmin ennustettuja että ehkä myös ennustamattomia”. 

Osoittaakseen, että havainnot 0,87 mm:n aallonpituudella ovat mahdollisia, ryhmä teki koehavaintoja kaukaisista, kirkkaista galakseista kyseisellä aallonpituudella^[2]. Sen sijaan, että he olisivat käyttäneet koko EHT-verkostoa, he käyttivät kahta pienempää aliryhmää, joihin molempiin Atacaman autiomaassa Chilessä sijaitsevat ALMA ja Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) kuuluivat. Euroopan eteläinen observatorio (ESO) on ALMA:n yhteistyökumppani, ja se isännöi ja tekee yhteistyötä APEX:in kanssa. Muita mukana olleita havaintolaitteita ovat 30-metrinen IRAM-teleskooppi Espanjassa ja NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) Ranskassa sekä Grönlannin teleskooppi ja Submillimeter Array Havaijilla.

Tässä pilottikokeessa ryhmä pystyi havainnoissa saavuttamaan jopa 19 mikrokaarisekunnin tarkkuuden, mikä tarkoittaa kaikkien aikojen korkeinta resoluutiota Maan pinnalta tehdyissä havainnoissa. He eivät kuitenkaan ole vielä pystyneet muodostamaan kuvia. Vaikka he havaitsivat useiden kaukana sijaitsevien galaksien valoa, he eivät käyttäneet riittävästi antenneja, jotta datasta olisi voinut rekonstruoida kuvan tarkasti. 

Tämä tekninen testi on avannut uuden havaintoikkunan mustien aukkojen tutkimiseen. Kaikkien ryhmään kuuluvien havaintolaitteiden avulla EHT pystyi näkemään jopa 13 mikrokaarisekunnin suuruisia yksityiskohtia, mikä vastaa pullonkorkin erottamista Kuussa Maasta katsottuna. Tämä tarkoittaa, että 0,87 mm:n havainnoilla saadaan kuvia, joiden resoluutio on noin 50 % suurempi  kuin aiemmin julkaistuissa M87*:n ja SgrA*:n 1.3 mm:n kuvissa. Lisäksi on mahdollista havaita kaukaisempia, pienempiä ja himmeämpiä mustia aukkoja kuin ne kaksi, joita verkosto on tähän mennessä kuvannut.

EHT:n johtaja (Founding Director) Sheperd ”Shep” Doeleman, CfA:n astrofyysikko ja tutkimuksen toinen johtaja, sanoi: ”Ympäröivän kaasun muutosten tarkastelu eri aallonpituuksilla auttaa meitä ratkaisemaan mysteerin siitä, miten mustat aukot vetävät puoleensa ja keräävät ainetta, ja miten ne saavat aikaiseksi voimakkaita suihkuja, jotka ulottuvat galaktisiin etäisyyksiin”. 

Tämä on ensimmäinen kerta, kun VLBI-tekniikkaa on pystytty käyttämään 0,87 mm:n aallonpituudella. Vaikka yötaivaan havainnointi tällä aallonpituudella oli mahdollista jo aikaisemmin, VLBI-tekniikan soveltamiseen on aina liittynyt haasteita, joiden voittaminen on vaatinut aikaa ja teknistä kehitystä. Esimerkiksi ilmakehän vesihöyry absorboi säteilyä 0,87 mm:n aallonpituudella paljon enemmän kuin 1,3 mm:n aallonpituudella, mikä vaikeuttaa radioteleskooppien mahdollisuuksia havaita mustia aukkoja lyhyellä aallonpituudella. Kun tämä yhdistetään yhä voimakkaampaan ilmakehän turbulenssiin ja kohinan lisääntymiseen lyhyillä aallonpituuksilla, sekä kyvyttömyyteen kontrolloida maailmanlaajuisia sääolosuhteita ilmakehän kannalta herkkien havaintojen aikana, VLBI:n siirtyminen lyhyemmille aallonpituuksille on ollut hidasta erityisesti siirryttäessä alimillimetrialueelle. Näiden uusien havaintojen myötä tilanne on kuitenkin muuttunut.

”Nämä VLBI-havainnot 0,87 mm:n aallonpituudella ovat uraauurtavia, sillä ne avaavat uuden havaintoikkunan supermassiivisten mustien aukkojen tutkimiselle”, totesi Thomas Krichbaum, yksi tutkimuksen kirjoittajista Saksan Max Planck Institute for Radio Astronomy -instituutista, joka operoi APEX-teleskooppia yhdessä ESO:n kanssa. Hän lisäsi: ”Tulevaisuudessa Espanjassa (IRAM-30m) ja Ranskassa (NOEMA) sijaitsevien IRAM-teleskooppien yhdistäminen ALMA:nn ja APEX:in kanssa mahdollistaa vielä pienempien ja himmeämpien kohteiden kuvaamisen samanaikaisesti kahdella aallonpituudella 1,3 mm ja 0,87 mm, mikä tähän asti ei ole ollut mahdollista”.

Viitaukset

[1] Suuremman resoluution tähtitieteen havaintoja on kyllä tehty aikaisemmin, mutta ne on saatu yhdistämällä Maan pinnalla olevien teleskooppien havainnot avaruudessa olevan teleskoopin havaintojen kanssa:  https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2022/2. Tänään julkaistut uudet havainnot ovat korkeimman resoluution havainnot, jotka on koskaan saatu pelkästään maanpäällisillä teleskoopeilla. 

[2] Testatakseen havaintojaan EHT-yhteistyöverkosto kohdisti antennit hyvin kaukaisiin ”aktiivisiin” galakseihin, joiden ytimissä on supermassiivisia mustia aukkoja, ja jotka ovat hyvin kirkkaita. Tällaiset lähteet ovat apuna havaintojen kalibroinnissa ennen kuin EHT suunnataan himmeämpiin kohteisiin, kuten läheisiin mustiin aukkoihin.