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.

 

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).