Ensimmäinen suora kuva mustasta aukosta, josta lähtee voimakas suihku

 eso2305fi — Tutkimustiedote, suomennos Pasi Nurmi, Turun yliopisto

Tähtitieteilijät ovat ensimmäistä kertaa havainneet samassa kuvassa Messier 87-galaksin (M87) keskellä olevan mustan aukon varjon ja siitä lähtevän voimakkaan suihkun. Havainnot on tehty vuonna 2018 seuraavilla teleskoopeilla: Global Millimetre VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), jossa ESO on mukana kumppanina, ja Greenland Telescope (GLT). Uuden kuvan ansiosta tähtitieteilijät ymmärtävät nyt paremmin, miten mustat aukot voivat saada tällaisia voimakkaita suihkuja aikaiseksi.

Kuvassa näkyy ensimmäistä kertaa yhdessä mustan aukon suihku ja varjo M87-galaksin keskustassa. Havainnot on otettu Global Millimetre VLBI Array (GMVA),  Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) teleskoopilla, jonka kumppani ESO on, ja Greenland Telescopella. Kuva antaa tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää, miten voimakas suihku on muodostunut. Uudet havainnot paljastivat myös, että mustan aukon rengasrakenne, joka näkyy kuvan suurennoksessa, on 50 prosenttia suurempi kuin lyhyemmillä aallonpituukisilla havaitussa Event Horizon Telescope (EHT) kuvassa. Tämä viittaa siihen, että uudessa kuvassa näkyy enemmän mustaan aukkoon putoavaa materiaa kuin mitä EHT:n avulla pystyttiin näkemään. Kuva R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF).

Useimpien galaksien keskellä on supermassiivinen musta aukko. Vaikka mustat aukot tunnetaan niiden kyvystä imaista ainetta niiden välittömästä ympäristöstään, ne voivat myös saada aikaiseksi voimakkaita ainesuihkuja, jotka ulottuvat aina galaksien ulkopuolelle saakka. Se, miten mustat aukot luovat näin valtavia suihkuja, on ollut tähtitieteessä pitkäaikainen ongelma. "Tiedämme, että suihkut saavat alkunsa mustia aukkoja ympäröivältä alueelta", sanoi Ru-Sen Lu Shanghain tähtitieteellisestä observatoriosta Kiinasta, "mutta emme vieläkään täysin ymmärrä, miten tämä todella tapahtuu. Jotta voimme tutkia tätä suoraan, meidän on seurattava suihkun alkuperää mahdollisimman lähelle mustaa aukkoa".

Tänään julkaistussa uudessa kuvassa näkyy ensimmäistä kertaa juuri se, miten suihkun lähtökohta yhdistyy supermassiivisen mustan aukon ympärillä pyörivään aineeseen. Kohteena on galaksi M87, joka sijaitsee 55 miljoonan valovuoden etäisyydellä kosmisessa naapurustossamme. M87 galaksissa on musta aukko, joka on 6,5 miljardia kertaa Aurinkoa massiivisempi. Aikaisemmissa havainnoissa oli onnistuttu kuvaamaan mustan aukon ja suihkun lähellä olevat alueet erikseen, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun molemmat on havaittu yhdessä. "Tämä uusi kuva selventää tilannetta näyttämällä mustan aukon ja suihkun ympärillä olevan alueen samanaikaisesti", lisäsi Jae-Young Kim Saksan Max Planck Institute for Radio Astronomy -instituutista.

Kuva on otettu GMVA:n, ALMA:n ja GLT:n avulla, jotka muodostavat maailmanlaajuisen radioteleskooppien verkoston, joka toimii yhdessä virtuaalisena Maan kokoisena teleskooppina. Näin suuri verkosto voi havaita M87:n mustan aukon ympärillä olevalla alueella hyvin pieniä yksityiskohtia.

Uudessa kuvassa näkyy mustan aukon läheltä muodostuva suihku sekä se, mitä tutkijat kutsuvat mustan aukon varjoksi. Kun aine kiertää mustaa aukkoa, se kuumenee ja lähettää valoa. Musta aukko taivuttaa ja vangitsee osan tästä valosta luoden Maasta nähtynä kehämäisen rakenteen mustan aukon ympärille. Kehän keskellä oleva pimeä alue on mustan aukon varjo, jonka Event Horizon Telescope (EHT) kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 2017. Sekä tässä uudessa kuvassa, että EHT:n kuvassa on yhdistetty useiden eri puolilla maailmaa sijaitsevien radioteleskooppien datat, mutta tänään julkaistun kuvan radiosäteilyn aallonpituus on pidempi kuin EHT:n kuvassa, eli 3,5 mm 1,3 mm:n sijaan. "Tällä aallonpituudella voimme nähdä, miten suihku saa alkunsa supermassiivisen mustan aukon ympärillä olevasta emissiorenkaasta", sanoi Thomas Krichbaum Max Planckin radioastronomian instituutista.

GMVA-verkon havaitseman renkaan koko on noin 50 prosenttia suurempi kuin Event Horizon Telescope -kuvassa. "Ymmärtääksemme isomman ja paksumman renkaan fyysisen alkuperän jouduimme testaamaan erilaisia skenaarioita tietokonesimulaatioiden avulla", kertoi Keiichi Asada Taiwanin Academia Sinicasta. Tulokset viittaavat siihen, että uusi kuva paljastaa enemmän mustaa aukkoa kohti putoavaa materiaa kuin mitä EHT:llä voitiin havaita.

Nämä uudet havainnot M87:n mustasta aukosta tehtiin vuonna 2018 GMVA:lla, joka koostuu 14 radioteleskoopista Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa ^[1]. Lisäksi GMVA:han liitettiin kaksi muuta tutkimusyksikköä: Greenland Telescope ja ALMA, jonka kumppani ESO on. ALMA koostuu Chilen Atacaman autiomaassa sijaitsevasta 66 antennista, ja sillä oli näissä havainnoissa keskeinen rooli. Näiden kaikkien ympäri maailmaa sijaitsevien teleskooppien keräämät tiedot yhdistetään interferometriaksi kutsutulla tekniikalla, joka synkronoi kunkin yksittäisen laitoksen ottamat signaalit. Jotta havaittavan kohteen todellinen muoto saadaan kunnolla selvitettyä, on tärkeää, että kaukoputket ovat sijoittuneena kaikkialle maapallolla. GMVA-teleskoopit ovat pääosin itä-länsi-suunnassa, joten ALMA:n olemassaolo eteläisellä pallonpuoliskolla osoittautui välttämättömäksi, jotta kuva M87:n mustan aukon suihkusta ja varjosta saatiin otettua. "ALMA:n sijainnin ja herkkyyden ansiosta pystyimme paljastamaan mustan aukon varjon ja katsoa syvemmälle suihkuun samanaikaisesti", Lu kertoi.

Tämän teleskooppiverkoston avulla tulevaisuudessa tehtävillä havainnoilla voidaan selvittää, kuinka supermassiiviset mustat aukot saavat aikaiseksi näitä voimakkaita suihkuja. "Aiomme havaita M87:n keskustassa olevaa mustaa aukkoa radioalueella eri aallonpituuksilla tutkiaksemme lisää suihkun lähettämää emissiota", kertoi Eduardo Ros Max Planck Institute for Radio Astronomy -instituutista. Yhtä aikaa tehtävät havainnot antaisivat tutkimusryhmälle mahdollisuuden eritellä supermassiivinen musta aukon lähellä olevia monimutkaisia prosesseja. "Tulevat vuodet tulevat olemaan jännittäviä, kun saamme lisää tietoa siitä, mitä yhdellä maailmankaikkeuden salaperäisimmistä alueista tapahtuu", Ros totesi lopuksi.

M87. Kuva ESO.

Galaksi M87

Messier 87 (M87) on valtava elliptinen galaksi, joka sijaitsee noin 55 miljoonan valovuoden etäisyydellä Maasta ja sijaitsee Neitsyen tähdistössä. Charles Messier löysi sen vuonna 1781, mutta se tunnistettiin galaksiksi vasta 1900-luvulla. Sen massa on kaksinkertainen oman galaksimme Linnunradan massaan verrattuna, ja siinä on jopa kymmenen kertaa enemmän tähtiä. Galaksi on läheisistä galakseista suurimpia. Pelkän kokonsa lisäksi M87:llä on hyvin ainutlaatuisia ominaisuuksia. Sillä on esimerkiksi poikkeuksellisen paljon pallomaisia tähtijoukkoja. Linnunradallamme niitä on alle 200, mutta M87:llä niitä on noin 12 000, minkä jotkut tutkijat arvelevat johtuvan siitä, että se on kerännyt ne pienemmiltä naapureiltaan.

Aivan kuten kaikilla muillakin suurilla galakseilla M87:n keskellä on supermassiivinen musta aukko. Galaksin keskustan mustan aukon massa liittyy koko galaksin massaan, joten ei pitäisi olla yllättävää, että M87:n musta aukko on yksi massiivisimmista tunnetuista aukoista. Musta aukko voi myös selittää yhden galaksin energisimmistä piirteistä, eli relativistisen suihkun, joka sinkoutuu ulos lähes valon nopeudella.

Musta aukko oli Event Horizon Telescope havaintolaitteen tekemien mullistavien havaintojen kohteena. Kohde valikoitui EHT:n havaintojen kohteeksi kahdesta syystä. Vaikka EHT:n erotuskyky on uskomaton, niin silläkin on rajansa. Koska massiiviset mustat aukot ovat myös halkaisijaltaan suurempia, niin M87:n keskustan musta aukko oli poikkeuksellisen suuri kohde. Tämä tarkoittaa sitä, että se voitaisiin kuvata helpommin kuin lähempänä olevat pienemmät mustat aukot. Toinen syy sen valintaan oli kuitenkin selvästi tavallisempi. Planeetaltamme katsottuna M87 on melko lähellä taivaan ekvaattoria, minkä ansiosta se näkyy suurimmalla osalla pohjoista ja eteläistä pallonpuoliskoa. Tämä maksimoi EHT:n käytettävissä olevien havaintolaitteiden määrän, jotka voisivat tarkkailla sitä lisäten lopullisen kuvan resoluutiota.

Kuva on otettu ESO:n Very Large Telescope, eli VLT:n FORS2-instrumentilla osana Cosmic Gems-ohjelmaa, joka on tieteen näkyvyyden edistämiseksi tehty aloite, jossa ESO:n teleskoopit ottavat kuvia kiinnostavista, kiehtovista tai visuaalisesti näyttävistä kohteista koulutuksen ja yleisön tavoittamiseksi. Ohjelma hyödyntää teleskooppiaikaa, jota ei voi käyttää tieteellisiin havainnointiin, ja sen avulla saadaan otettua henkeäsalpaavia kuvia joistakin yötaivaan upeimmista kohteista. Jos kerätystä datasta voi olla hyötyä myös tulevissa tieteellisissä tarkoituksissa, havainnot tallennetaan ja saatetaan tähtitieteilijöiden saataville ESO:n tiedearkiston kautta.

Huomautukset

[1] Korean VLBI-verkosto on nyt myös osa GVVA:ta, mutta se ei osallistunut tässä esitettyihin havaintoihin.

Lisätietoa

Tässä esitelty tutkimus on julkaistu artikkelissa "A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet", joka julkaistaan Nature lehdessä (doi: 10.1038/s41586-023-05843-w).

 

Tähtitieteilijät ovat kuvanneet M87:n mustan aukon reuna-alueiden magneettikenttiä

eso2105fi — Tutkimustiedote – Pasi Nurmi

Näemme nyt toisen merkittävän todisteen siitä, miten magneettikentät käyttäytyvät mustien aukkojen ympärillä ja miten aktiivisuus tällä erittäin kompaktilla avaruuden alueella pystyy synnyttämään kauas galaksin ulkopuolelle ulottuvia voimakkaita suihkuja”, EHT-polarimetria työryhmän koordinaattori Monika Mościbrodzka, joka toimii apulaisprofessorina Radboudin yliopistossa Alankomaissa, sanoi.

Event Horizon Telescope (EHT)-yhteistyöverkosto, joka otti ensimmäisen mustan aukon kuvan, on tänään kertonut saaneensa aivan uuden näkymän tähän Messier 87 (M87) -galaksin keskipisteessä sijaitsevaan massiiviseen kohteeseen. He ovat pystyneet näkemään miltä kohde näyttää polarisoituneessa valossa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun tähtitieteilijät ovat pystyneet mittaamaan tätä magneettikenttien sormenjälkeä, eli polarisaatiota, näin läheltä mustan aukon reunaa. Havainnot auttavat tutkijoita ymmärtämään, miten 55 miljoonan valovuoden päässä sijaitseva M87-galaksi muodostaa ytimestään lähtevät valtavat hyvin voimakkaat suihkut.

Tutkijat julkaisivat kaikkien aikojen ensimmäisen kuvan mustasta aukosta 10. huhtikuuta 2019. Kuva paljasti kirkkaan rengasmaisen rakenteen, jossa on tumma keskialue, jota kutsutaan mustan aukon varjoksi. Sen jälkeen EHT-yhteistyöverkosto on jatkanut vuonna 2017 kerätyn M87-galaksin ytimessä olevasta supermassiivisesta kohteesta kerätyn datan analysointia. He ovat havainneet, että merkittävä osa M87:n mustan aukon ympärillä olevasta valosta on polarisoitunutta.

”Tämän tutkimuksen tulokset ovat erittäin merkittäviä. Valon polarisaatio kantaa mukanaan informaatiota, jonka avulla voimme paremmin ymmärtää huhtikuussa 2019 näkemämme kuvan taustalla olevaa fysiikkaa, mikä ei aiemmin ollut mahdollista”, Iván Martí-Vidal kertoi. Hän on myös EHT-polarimetria työryhmän koordinaattori ja 'GENT Distinguished'-tutkija Valencian yliopistossa Espanjassa. Hän lisäsi, että ”tämän uuden polarisoituneen valon kuvan prosessoiminen vaati vuosien työn, koska datan keräämiseen ja analysointiin liittyy hyvin monimutkaisia tekniikoita”. 

Valo polarisoituu, kun se kulkee tiettyjen erityisten suotimien läpi, kuten polarisoitujen aurinkolasien linssien läpi. Valo voi myös polarisoitua, kun se saa alkunsa kuumista avaruuden alueista, joissa on magneettikenttiä. Samalla tavalla kuin polarisoidut aurinkolasit auttavat meitä näkemään paremmin vähentämällä heijastuksia ja häikäisyä kirkkailta pinnoilta, tähtitieteilijät voivat saada tarkempaa tietoa mustan aukon ympärillä olevasta alueesta tarkastelemalla, miten siitä peräisin oleva valo polarisoituu. Polarisaatio antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden tutkia erityisesti mustan aukon sisäreunassa olevan magneettikentän ominaisuuksia.

”Juuri julkaistut polarisaatiokuvat ovat avainasemassa sen ymmärtämisessä, miten magneettikenttä syöttää ainetta mustaan aukkoon ja miten voimakkaat suihkut saavat alkunsa”, EHT-yhteistyöverkoston jäsen Andrew Chael, joka on Nasan Hubble Fellow 'Princeton Center for Theoretical Science and Princeton Gravity Initiative'-yksikössä Yhdysvalloissa, sanoi.

M87:n ytimestä lähtevät voimakkaat energian ja aineen suihkut ulottuvat ainakin 5 000 valovuoden etäisyyteen sen keskustasta, ja ne ovat yksi galaksin salaperäisimmistä ja energisimmistä ominaisuuksista. Suurin osa mustan aukon reunan lähellä olevasta aineesta putoaa sen sisään. Osa ympäröivistä hiukkasista kuitenkin pakenee hetkeä ennen kaappautumistaan ja ne sinkoutuvat kauas avaruuteen suihkujen muodossa.

Tähtitieteilijät ovat rakentaneet erilaisia malleja siitä, miten aine käyttäytyy mustan aukon lähellä ymmärtääkseen paremmin siinä ilmeneviä prosesseja. Vielä ei kuitenkaan tiedetä tarkalleen, miten galaksia suuremmat suihkut saavat alkunsa sen keskialueelta, joka on kooltaan verrattavissa aurinkokuntaan. Myöskään ei tiedetä tarkkaan, kuinka aine putoaa mustaan aukkoon. Uuden EHT:n ottaman mustan aukon kuvan ja varjon polarisoituneen valon mittausten avulla tähtitieteilijät onnistuivat ensimmäistä kertaa tutkimaan mustan aukon ulkopuolella sijaitsevaa aluetta, jossa tämä aineen virtaus sisään- ja ulospäin tapahtuu.

Havainnot antavat uutta tietoa magneettikenttien rakenteesta aivan mustan aukon ulkopuolella. Tutkimusryhmä havaitsi, että vain ne teoreettiset mallit, joissa on voimakkaasti magnetoitunutta kaasua, voivat selittää, mitä he näkevät tapahtumahorisontissa tapahtuvan.

”Havainnot viittaavat siihen, että mustan aukon reunalla olevat magneettikentät ovat riittävän voimakkaita, jotta ne pystyvät työntämään kuumaa kaasua ja siten ne pystyvät auttamaan gravitaation vastustamisessa. Vain kentän läpi virtaava kaasu voi kiertyä sisäänpäin ja kadota tapahtumahorisonttiin”, yhdysvaltalaisen Colorado Boulderin yliopiston apulaisprofessori ja EHT Theory Working Groupin koordinaattori Jason Dexter sanoi.

M87-galaksin ytimen havainnoissa yhteistyöverkosto käytti kahdeksaa kaukoputkea ympäri maailmaa. Havainnoissa mukana olivat Pohjois-Chilessä sijaitseva Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ja Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), joissa Euroopan eteläinen observatorio (ESO) on mukana yhteistyökumppanina. EHT kokonaisuus on virtuaalinen Maan kokoinen kaukoputki. Sen avulla aikaan saatu erotuskyky vastaa Kuun pinnalla olevan luottokortin pituuden mittaamiseen tarvittavaa tarkkuutta.

”ALMA:n ja APEXin kautta, jotka eteläisen sijaintinsa kautta parantavat kuvanlaatua lisäämällä maantieteellistä EHT-verkon kattavuutta, eurooppalaisilla tutkijoilla oli keskeinen rooli tutkimuksessa”, Francisca Kemper, ESO:n eurooppalainen ALMA-ohjelman tutkija, sanoi. ”ALMA hallitsee 66 antennillaan polarisoidun valon kokonaissignaalia, kun taas APEX on ollut merkittävässä roolissa kuvan kalibroinnissa.”

”ALMA:n keräämä data oli myös ratkaisevassa roolissa EHT-havaintojen kalibroinnissa, kuvan muodostuksessa ja tulkinnassa, minkä ansiosta pystyttiin tekemään tiukkoja rajoituksia teoreettisille malleille, jotka selittävät, miten aine käyttäytyy lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia”, Radboudin yliopiston ja Leidenin observatorion tutkija Ciriaco Goddi sanoi. Hän veti myös tässä julkaistuun tutkimukseen liittyvää tutkimusta, joka perustui pelkästään ALMA:n havaintoihin.

Tutkimusryhmä pystyi EHT:n avulla tekemään suoria havaintoja mustan aukon varjosta ja sen ympärillä olevasta valorenkaasta. Uusi polarisoituneen valon kuva osoittaa selvästi, että rengas on magnetoitunut. EHT-yhteistyöverkoston tekemät tutkimustulokset julkaistaan tänään kahdessa erillisessä artikkelissa 'Astrophysical Journal Letters'-lehdessä. Tutkimukseen osallistui yli 300 tutkijaa useista organisaatioista ja yliopistoista ympäri maailmaa.

”EHT kehittyy nopealla tahdilla, ja verkostoon tehdään teknologisia parannuksia ja siihen liitetään uusia observatorioita. Odotamme tulevien EHT-havaintojen paljastavan tarkemmin mustan aukon ympärillä olevan magneettikentän rakenteen ja kertovan meille lisää kuuman kaasun fysiikasta tällä alueella”, EHT-yhteistyöverkoston jäsen Jongho Park, 'East Asian Core Observatories Association Fellow' tähtitieteen ja astrofysiikan Academia Sinica instituutista Taipeista, sanoi.

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.