Tähtitieteilijät paljastivat ensimmäisen kuvan galaksimme ytimessä olevasta mustasta aukosta

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, koska se on täysin pimeä, sitä ympäröivä hehkuva kaasu paljastaa mustan aukon ominaisen tunnusmerkin. Tummaa keskialuetta, jota kutsutaan varjoksi, ympäröi kirkas rengasmainen rakenne. Uuteen kuvaan on tallentunut valoa, jota mustan aukon valtava painovoima taivuttaa. Musta aukko on 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 27000 valovuoden päässä Maasta, se näkyy maahan suunnilleen samankokoisena kuin Kuun pinnalla oleva donitsi. 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 muiden radio-observatorioiden kautta: 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. 

ALMA on kumppanuushanke, johon kuuluvat Euroopan eteläinen observatorio (European Southern Observatory ESO, edustaa jäsenmaita), Yhdysvaltain National Science Foundation (NSF) ja Japanin National Institutes of Natural Sciences (NINS) sekä National Research Council (Kanada), Ministry of Science and Technology (MOST; Taiwan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) ja Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Etelä-Korea) yhteistyössä Chilen tasavallan kanssa. APEX on yhteistyöhanke, johon kuuluu radioastronomian Max Planck instituutti (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Saksa), Onsalan avaruusobservatorio (Onsala rymdobservatorium, Ruotsi) sekä ESO, ja APEX:ia operoi ESO. 30-metrin teleskooppia operoi IRAM (IRAM-kumppaniorganisaatiot ovat MPG (Saksa), CNRS (Ranska) ja IGN (Espanja)). James Clerk Maxwell Telescopea (JCMT) operoi East Asian Observatory Japanin National Astronomical Observatoryn, ASIAA:n, KASI:n, Thaimaan National Astronomical Research Instituten ja Center for Astronomical Mega-Sciencen puolesta sekä Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja Kanadassa sijaitsevien organisaatioiden puolesta. LMT:tä operoivat INAOE ja UMass, SMA:ta operoivat Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian ja ASIAA, ja UArizona:n SMT:tä Arizonan yliopisto. South Pole Telescopea (SPT) operoi Chicagon yliopisto käyttäen Arizonan yliopiston toimittamia erityisiä EHT-instrumentteja. 

Greenland Telescopea (GLT) operoivat ASIAA ja Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). GLT on osa ALMA-Taiwan-hanketta, ja sitä rahoittavat osittain Academia Sinica (AS) ja MOST. NOEMA:a operoi IRAM, ja Kitt Peakissa sijaitsevaa UArizona 12-metrin teleskooppia operoi Arizonan yliopisto.

[2] Mustat aukot ovat ainoita tunnettuja kohteita, joiden massa riippuu suoraan niiden koosta. Toista mustaa aukkoa tuhat kertaa pienempi musta aukko on myös tuhat kertaa vähemmän massiivinen.

[3] Aiempi tutkimus Sgr A*:sta on antanut vahvan perustan tämän uuden kuvan tulkinnalle. Tähtitieteilijät ovat tunteneet Linnunradan keskellä olevan kirkkaan, tiheän radiolähteen Jousimies-tähdistön suunnalla 1970-luvulta lähtien. Mittaamalla useiden tähtien kiertoratoja hyvin lähellä galaktista keskustaamme 30 vuoden aikana Reinhard Genzelin johtamat tutkimusryhmät (Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics -instituutin johtaja Garchingissa lähellä Müncheniä, Saksassa) ja Andrea M. Ghez (professori fysiikan ja tähtitieteen laitoksella Kalifornian yliopistolla, Los Angelesissa, USAssa) pystyivät päättelemään, että todennäköisin selitys näin suuren massan ja tiheyden omaavalle kohteelle on supermassiivinen musta aukko. ESO:n observatorioita (mukaan lukien Very Large Telescope ja Very Large Telescope Interferometer) ja Keckin observatorio olivat mukana havainnoissa, jotka olivat mukana vuoden 2020 fysiikan Nobelin palkinnossa.

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 olemassaolevia 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 sen jäsenmaiden puolesta 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 sen jäsenmaiden puolesta 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 5100 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.

Euroopan eteläinen observatorio (ESO) tekee maailmankaikkeuden salaisuuksien tutkimisen mahdolliseksi kaikille tutkijoille ympäri maailman. Suunnittelemme, rakennamme ja operoimme huippuluokan maanpäälisiä observatorioita, joita tähtitieteilijät käyttävät jännittävien tutkimusongelmien ratkaisemiseen ja populääritähtitieteen edistämiseen. Me edistämme myös kansainvälistä yhteistyötä tähtitieteen alalla. 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. Se on kaukoputkiemme sijoituspaikka. 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. Rakennamme parhaillaan Paranalin lähelle Cerro Armazonesille "maailman suurinta silmää taivaalle”, ESO:n Erittäin suurta kaukoputkea (Extremely Large Telescope, ELT). Santiagossa, Chilessä sijaitsevista toimipisteistämme tuemme toimintaamme Chilessä ja olemme yhteydessä chileläisiin yhteistyökumppaneihin ja yhteiskuntaan.