Komunikat prasowy

Astronomowie uzyskali pierwszy obraz czarnej dziury

ESO, ALMA i APEX wzięły udział w zmieniających paradygmat obserwacjach gigantycznej czarnej dziury w sercu galaktyki Messier 87

10 kwietnia 2019

Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope - EHT) — sieć o skali planety obejmująca osiem naziemnych radioteleskopów w ramach współpracy międzynarodowej — został zaprojektowany w celu uzyskiwania obrazów czarnych dziur. Dzisiaj, podczas wspólnej konferencji prasowej w różnych miejscach świata, naukowcy z EHT ogłosili sukces, prezentując pierwsze bezpośrednie wizualne dowody na supermasywną czarną dziurę i jej cień.

Przełomowe wyniki zostały ogłoszone dzisiaj w serii sześciu artykułów opublikowanych w specjalnym numerze The Astrophysical Journal Letters. Obraz pokazuje czarną dziurę w centrum Messier 87 [1], masywnej galaktyki należącej do pobliskiej gromady galaktyk Virgo. Czarna dziura rezyduje 55 milionów lat świetlnych od Ziemi i ma masę 6,5 miliarda razy większą niż Słońce [2].

EHT łączy teleskopy na całym globie w celu utworzenia bezprecedensowego wirtualnego teleskopu o rozmiarach Ziemi [3]. EHT udostępnia naukowcom nowy sposób badania najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie przewidzianych przez ogólną teorię względności Einsteina. Co ciekawe, w tym roku mija sto lat od historycznego eksperymentu, który po raz pierwszy potwierdził przewidywania tej teorii [4].

„Uzyskaliśmy pierwszy obraz czarnej dziury” powiedział Sheperd S. Doeleman z Center for Astrophysics (Harvard & Smithsonia), dyrektor projektu EHT. „To niezwykły wyczyn naukowy dokonany przez zespół ponad 200 naukowców.”

Czarne dziury to niezwykłe kosmiczne obiekty o ogromnych masach, ale ekstremalnie małych rozmiarach. Istnienie tych obiektów wpływa na ich otoczenie w bardzo silny sposób, zakrzywiając czasoprzestrzeń i mocno rozgrzewając otaczającą materię.

„Spodziewamy się, że w jasnym obszarze, takim jak dysk świecącego gazu, czarna dziura utworzy ciemny region podobny do cienia – czyli coś przewidzianego przez ogólną teorie względności Einsteina, czego do tej pory nigdy nie widzieliśmy” wyjaśnił Heino Falcke z Radboud University (Holandia), przewodniczący rady naukowej EHT. „Taki cień, spowodowany przez zakrzywienie grawitacyjne i przechwytywanie światła przez horyzont zdarzeń, wiele ujawnia na temat natury tych fascynujących obiektów i pozwolił nam zmierzyć ogromną masę czarnej dziury w M87.”

Różne metody kalibracji i obrazowania ukazały strukturę pierścieniową z ciemnym centralnym obszarem – cieniem czarnej dziury – które utrzymywały się przy wielokrotnych, niezależnych obserwacjach EHT.

„Gdy uzyskaliśmy pewność, że sfotografowaliśmy cień czarnej dziury, mogliśmy porównać obserwacji z rozbudowanymi modelami komputerowymi uwzględniającymi fizykę zakrzywionej przestrzeni, supergrzanie materii i silne pola magnetyczne. Wiele cech obserwowanego obrazu pasuje do teorii zaskakująco dobrze”, zaznacza Paul T.P. Ho, członek Rady EHT oraz dyrektor East Asian Observatory [5]. „Dzięki temu jesteśmy pewni co do interpretacji wyników obserwacji, w tym oszacowania masy czarnej dziury.”

"Konfrontacja teorii z obserwacjami to zawsze dramatyczny moment dla teoretyka. Z ulgą i z pewną dumą uświadomiłem sobie, że obserwacje tak dobrze pasują do naszych przewidywań", dodał Luciano Rezzola z Goethe Universität (Niemcy), także członek Rady EHT.

Utworzenie EHT było ogromnym wyzwaniem, które potrzebowało modernizacji i połączenia ogólnoświatowej sieci ośmiu istniejących teleskopów rozmieszczonych w różnorodnych, trudnych, wysoko położonych miejscach. Lokalizacje te obejmują wulkany na Hawajach i w Meksyku, góry w Arizonie i hiszpańskiej Sierra Nevada, chilijską pustynię Atakama oraz Antarktydę.

Obserwacje EHT opierają się na technice zwanej interferometrią wielkobazową (VLBI), która synchronizuje teleskopy na całym świecie i wykorzystuje rotację naszej planety do utworzenia gigantycznego teleskopu o wielkości całej Ziemi obserwującego na długości fali 1,3 mm. VLBI pozwala EHT na osiągnięcie kątowej zdolności rozdzielczej 20 mikrosekund łuku – co jest wystarczające od czytania gazety w Nowym Jorku siedząc w kawiarni w Paryżu [6].

Teleskopy, które wzięły udział w badaniach, to: ALMA, APEX, IRAM 30-meter telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope oraz South Pole Telescope [7]. Połączono petabajty surowych danych z teleskopów, do czego posłużyły specjalne superkomputery w Max Planck Institute for Radio Astronomy oraz MIT Haystack Observatory.

Europejskie urządzenia i finansowanie odegrały kluczową role w tych ogólnoświatowych wysiłkach, z udziałem zaawansowanych europejskich teleskopów i wsparciem od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych — a w szczególności wart 14 milionów euro grant na projekt BlackHoleCam [8]. Istotne było także wsparcie od ESO, IRAM i Max Planck Society. „Wynik osiągnięto dzięki dziesięcioleciom europejskiego doświadczenia w astronomii milimetrowej” skomentował Karl Schuster, dyrektor IRAM i członek Rady EHT Board.

Budowa EHT oraz ogłoszone dzisiaj wyniki obserwacji stanowa zwieńczenie dekad prac obserwacyjnych, technicznych i teoretycznych. Jest to przykład globalnych działań zespołowych wymagających bliskiej współpracy przez badaczy z całego świata. Trzynaście partnerskich instytucji pracowało razem, aby utworzyć EHT, wykorzystując zarówno istniejącą już infrastrukturę, jak i wsparcie od różnych agencji. Kluczowe finansowanie zostało przekazane przez US National Science Foundation (NSF), Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) oraz agencje z Azji Wschodniej.

„ESO jest zadowolone ze swojego znacznego udziału w uzyskanym wyniku poprzez europejskie przewodnictwo i kluczową rolę dwóch z teleskopów składowych EHT położonych w Chile – ALMA i APEX” powiedział Xavier Barcons, Dyrektor Generalny ESO. „ALMA jest najbardziej czułym urządzeniem w EHT, a jej 66 bardzo precyzyjnych anten było krytyczną częścią w uzyskanych sukcesie EHT.”

„Osiągnęliśmy coś co wydawało się niemożliwe jeszcze generację temu” podsumował Doeleman. „Przełomy technologiczne, połączenia pomiędzy najlepszymi obserwatoriami radioastronomicznymi na świecie i innowacyjne algorytmy – wszystko to razem otworzyło drogę do zupełnie nowego okna na czarne dziury i na horyzont zdarzeń.”

Uwagi

[1] Cień czarnej dziury to najbliższy obszar, do którego możemy dotrzeć na zdjęciu czarnej dziury, czyli całkowicie ciemnego obiektu, z którego nawet światło nie jest w stanie uciec. Granica czarnej dziury – czyli horyzont zdarzeń, od którego projekt EHT przybrał swoją nazwę – jest około 2,5 razy mniejszy niż cień, jaki rzuca (ma rozmiar mniejszy niż 40 miliardów kilometrów).

[2] Supermasywne czarne dziury to względnie niewielkie obiekty astronomiczne – co do tej pory czyniło je niemożliwymi do bezpośredniego zaobserwowania. Ponieważ rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury jest proporcjonalny do jej masy, więc im bardziej masywna czarna dziura, tym większy cień. Dzięki ogromnej masie i względnej bliskości, oczekiwano, iż czarna dziura w M87 będzie jedną z największych obserwowalnych z Ziemi, co uczyniło ją idealnym celem dla EHT.

[3] Mimo iż teleskopy nie są fizycznie połączone, sa w stanie synchronizować zebrane dane przy pomocy zegarów atomowych – maserów wodorowych — które precyzyjnie wskazują czas obserwacji. Dane zebrano na fali o długości 1,33 mm podczas globalnej kampanii w 2017 roku. Każdy z teleskopów EHT produkował niezmiernie duże ilości danych – prawie 350 terabajtów dziennie – które były przechowywane na wypełnionych helem dyskach twardych o dużej wydajności. Dane te spływały do wyspecjalizowanych superkomputerów (zwanych korelatorami) w Max Planck Institute for Radio Astronomy i MIT Haystack Observatory w celu połączenia. Następnie były starannie konwertowane na obrazy przy zastosowaniu nowatorskich narzędzi obliczeniowych opracowanych w ramach projektu.

[4] 100 lat temu wysłano dwie ekspedycje na Wyspę Książęcą na wybrzeżu Afryki oraz do Sobral w Brazylii, aby obserwować zaćmienie Słońca w 1919 roku, z celem przetestowania ogólnej teorii względności poprzez sprawdzenie czy światło gwiazd ulega zakrzywieniu wokół tarczy słonecznej, tak jak to przewidywała teoria Einsteina. Niejako w kontynuacji tych obserwacji, w ramach EHT wysłano członków zespołu do jednych z najwyżej położonych i najbardziej izolowanych instalacji radioastronomicznych na świecie, aby jeszcze raz przetestować nasze zrozumienie grawitacji.

[5] East Asian Observatory (EAO) jako partner EHT reprezentuje udział wielu regionów w Azji, w tym Chin, Japonii, Korei, Tajwanu, Wietnamu, Tajlandii, Malezji, Indii i Indonezji.

[6] Przyszłe obserwacje EHT będą miały znacząco zwiększoną czułość dzięki udziałowi IRAM NOEMA Observatory, Greenland Telescope i Kitt Peak Telescope.

[7] ALMA to projekt w ramach partnerstwa pomiędzy Europejskim Obserwatorium Południowym (ESO), reprezentującym kraje członkowskie z Europy, amerykańską National Science Foundation (NSF), oraz National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan, we współpracy z National Research Council (Canada), Ministry of Science and Technology (MOST; Taiwan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) oraz Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republic of Korea), a także we współpracy z Chile. APEX jest zarządzany przez ESO, 30-meter telescope jest zarządany przez IRAM (IRAM Partner Organizations to MPG (Niemcy), CNRS (Francja) i IGN (Hiszpania)), James Clerk Maxwell Telescope jest zarządzany przez EAO, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano jest zarządzany przez INAOE i UMass, Submillimeter Array jest zarządzana przez SAO i ASIAA, a Submillimeter Telescope jest zarządzany przez Arizona Radio Observatory (ARO). South Pole Telescope jest zarządzany przez University of Chicago z wyspecjalizowanymi instrumentami EHT dostarczonymi przez University of Arizona.

[8] BlackHoleCam to finansowany przez Unię Europejską projekt uzyskania obrazów, zmierzenia i zrozumienia astrofizyki czarnych dziur. Głównym celem BlackHoleCam i Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) jest uzyskanie pierwszy w historii obrazów czarnych dziur o masach milionów mas Słońca w pobliskiej galaktyce M87 oraz jej mniejszej kuzynki Sagittarius A*, supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Pozwoli to na niezwykle precyzyjne ustalenie deformacji czasoprzestrzeni spowodowanej przez czarną dziurę.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w serii sześciu artykułów opublikowanych dzisiaj w specjalnym numerze The Astrophysical Journal Letters.

Projekt EHT obejmuje ponad 200 badaczy z Afryki, Ameryki Północnej, Ameryki Południowej, Azji, Europy. Celem tej międzynarodowej współpracy jest uzyskanie najbardziej szczegółowych w historii obrazów czarnej dziury poprzez utworzenie wirtualnego teleskopu o rozmiarach Ziemi. Dzięki wsparciu w formie dużych międzynarodowych inwestycji, EHT łączy istniejące teleskopy przy pomocy nowatorskiego systemu — tworząc fundamentalnie nowy instrument z największą zdolnością rozdzielcza, jaka została do tej pory osiągnięta.

Poszczególne teleskopy to: ALMA, APEX, IRAM 30-meter Telescope, IRAM NOEMA Observatory, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Array (SMA), Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT), Kitt Peak Telescope oraz Greenland Telescope (GLT).

Konsorcjum EHT obejmuje 13 instytutów: 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 oraz Smithsonian Astrophysical Observatory.

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Ma 16 krajów członkowskich: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Irlandia, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy, dodatkowo Chile jest kraje gospodarzem, a Australia strategicznym partnerem. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Witryna internetowa ESO EHT
• Zaproszenie dla mediów na konferencję prasową
• Witryna EHT i komunikat prasowy
• ESOBlog na temat projektu EHT
• Zdjęcia ALMA
• Zdjęcia APEX
• Publikacje naukowa:
  • Publikacja I: The Shadow of the Supermassive Black Hole
  • Publikacja II: Array and Instrumentation
  • Publikacja III: Data processing and Calibration
  • Publikacja IV: Imaging the Central Supermassive Black Hole
  • Publikacja V: Physical Origin of the Asymmetric Ring
  • Publikacja VI: The Shadow and Mass of the Central Black Hole

Kontakt

Heino Falcke
Chair of the EHT Science Council, Radboud University
The Netherlands
Tel.: +31 24 3652020
E-mail: h.falcke@astro.ru.nl

Luciano Rezzolla
EHT Board Member, Goethe Universität
Germany
Tel.: +49 69 79847871
E-mail: rezzolla@itp.uni-frankfurt.de

Eduardo Ros
EHT Board Secretary, Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Germany
Tel.: +49 22 8525125
E-mail: ros@mpifr.de

Calum Turner
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6670
E-mail: pio@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych