Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων

Το Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων (Event Horizon Telescope - EHT) είναι μια μεγάλη συστοιχία τηλεσκοπίων αποτελούμενη από ένα παγκόσμιο δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων. Το έργο της παγκόσμιας συστοιχίας συμβολομετρικών τηλεσκοπίων συνδυάζει δεδομένα από πολλούς επίγειους σταθμούς VLBI (very-long-baseline interferometry stations) γωνιακής ανάλυσης ικανής για παρατήρηση αντικειμένων μεγέθους του ορίζοντα γεγονότων μιας Υπερμεγέθους Μαύρης Τρύπας. Οι στόχοι παρατήρησης του έργου περιλαμβάνουν τις δύο μαύρες τρύπες με τη μεγαλύτερη γωνιακή διάμετρο που παρατηρείται από τη Γη: τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του υπεργιγάντιου ελλειπτικού γαλαξία Μεσιέ 87 και του Τοξότη Α *, στο κέντρο του Γαλαξία μας.

Την ιδέα οραματίστηκε πρώτος ο Γερμανός ραδιοαστρονόμος Heino Falcke το 1993 . Αργότερα, ήταν συνεπικεφαλής μαζί με τους Michael Kramer και Luciano Rezzolla. στο χρηματοδοτούμενο από την Ευρωπαϊκή Ένωση έργο Black Hole Cam, στο οποίο αναπτύχθηκαν οι βασικές θεωρητικές πτυχές της απεικόνισης μαύρης τρύπας με VLBI. Ο σημερινός διευθυντής της συνεργασίας του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων είναι ο Αμερικανός αστροφυσικός Sheperd Doeleman (Πανεπιστήμιο Harvard-Smithsonian CfA), ενώ ο Falcke (Πανεπιστήμιο Radboud Nijmegen) προεδρεύει του επιστημονικού συμβουλίου.

Η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας, στο κέντρο του γαλαξία Messier 87, δημοσιεύθηκε από την Σύμπραξη EHT στις 10 Απριλίου 2019. Η συστοιχία τηλεσκοπίων έκανε αυτή την παρατήρηση σε μήκος κύματος 1,3mm και με θεωρητική, περιοριζόμενη από περίθλαση ανάλυση 25 μικροδευτερόλεπτα τόξου (μas). Τα μελλοντικά σχέδια περιλαμβάνουν τη βελτίωση της ανάλυσης της συστοιχίας με την προσθήκη νέων τηλεσκοπίων και τη λήψη παρατηρήσεων μικρότερου μήκους κύματος.

Συστοιχία Τηλεσκοπίων

Soft X-ray εικόνα του Τοξότη Α * (κέντρο) και δύο ηχώ φωτός από πρόσφατη έκρηξη (κυκλωμένη)

Το EHT αποτελείται από πολλά ραδιο-παρατηρητήρια ή εγκαταστάσεις ραδιοτηλεσκοπίων σε όλο τον κόσμο για να παραχθεί ένα υψηλής ευαισθησίας και υψηλής γωνιακής ανάλυσης τηλεσκόπιο. Μέσω της τεχνικής συμβολομετρίας VLBI (very-long-baseline interferometry) πολλές ανεξάρτητες ραδιο-κεραίες, οι οποίες απέχουν εκατοντάδες ή χιλιάδες χιλιόμετρα μεταξύ τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν συντονισμένα για τη δημιουργία ενός εικονικού τηλεσκοπίου με ενεργό διάμετρο ίση με τη διάμετρο ολόκληρου του πλανήτη. Η προσπάθεια περιλαμβάνει την υλοποίηση και την ανάπτυξη δεκτών διπλής πόλωσης υπο-χιλιοστού (submillimeter), οι οποίοι είναι πολύ σταθερά πρότυπα συχνότητας, ώστε να καταστεί τελικά δυνατή η τεχνική VLBI στα 230–450 GHz, τα VLBI συστήματα υποστήριξης και τα καταγραφικά υψηλότερου εύρους ζώνης, καθώς και η θέση σε λειτουργία νέων υπομονάδων VLBI.

Κάθε χρόνο από την πρώτη συλλογή δεδομένων το 2006, η συστοιχία EHT έχει αναπτυχθεί για να προστεθούν περισσότερα παρατηρητήρια στο παγκόσμιο δίκτυο των ραδιοτηλεσκοπίων. Η πρώτη εικόνα της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας του Γαλαξία, στον Τοξότη Α *, αναμενόταν να παραχθεί τον Απρίλιο του 2017, αλλά επειδή το Τηλεσκόπιο του Νοτίου Πόλου είναι κλειστό το χειμώνα (Απρίλιο-Οκτώβριο), η αποστολή των δεδομένων καθυστέρησε την επεξεργασία μέχρι τον Δεκέμβριο του 2017 που έφτασαν τελικά τα δεδομένα.

Τα δεδομένα που συλλέγονται σε σκληρούς δίσκους αποθήκευσης μεταφέρονται από εμπορικά αεροσκάφη μεταφοράς εμπορευμάτων (μεταφορά ονομαζόμενη και sneakernet) από τα διάφορα τηλεσκόπια στο παρατηρητήριο Haystack του MIT και στο Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας του Max Planck, όπου τα δεδομένα αλληλοσυσχετίζονται και αναλύονται σε κατανεμημένα συστήματα υπολογιστών αποτελούμενα από περίπου 800 επεξεργαστές συνδεδεμένων σε δίκτυο 40 Gbit/s.

Μεσιέ 87*

Η πρώτη εικόνα του ορίζοντα γεγονότων μια μαύρης τρύπας (M87*), όπως λήφθηκε από το Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων

Η σύμπραξη EHT ανακοίνωσε τα πρώτα του αποτελέσματα σε έξι ταυτόχρονες συνεντεύξεις τύπου παγκοσμίως στις 10 Απριλίου 2019. Η ανακοίνωση διέθεσε την πρώτη άμεση εικόνα μιας μαύρης τρύπας, η οποία έδειξε την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Μεσιέ 87, που ονομάστηκε M87 *. Τα επιστημονικά αποτελέσματα παρουσιάστηκαν σε μια σειρά έξι δημοσιεύσεων που δημοσιεύθηκαν στο The Astrophysical Journal Letters.

Η εικόνα έθεσε υπό δοκιμασία τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein υπό ακραίες συνθήκες. Μελέτες έχουν προηγουμένως θέσει υπό δοκιμασία τη γενική σχετικότητα εξετάζοντας τις κινήσεις των αστεριών και των αερίων νεφών κοντά στα όρια μιας μαύρης τρύπας. Ωστόσο, μια εικόνα μιας μαύρης τρύπας δίνει παρατηρήσεις ακόμη πιο κοντά στον Ορίζοντα Γεγονότων. Η θεωρία της σχετικότητας προβλέπει μια σκοτεινή περιοχή που μοιάζει με σκιά, η οποία προκαλείται από τη βαρυτική κάμψη και τη σύλληψη του φωτός εντός της, η οποία ταιριάζει με την παρατηρούμενη εικόνα. Η δημοσιευμένη έκθεση αναφέρει: "Συνολικά, η παρατηρούμενη εικόνα είναι σύμφωνη με τις προσδοκίες για τη σκιά μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας Kerr, όπως προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα." Ο Paul T.P. Ο Ho, μέλος του συμβουλίου της EHT, δήλωσε: "Μόλις είμαστε σίγουροι ότι είχαμε απεικονίσει τη σκιά, μπορέσαμε να συγκρίνουμε τις παρατηρήσεις μας με εκτενή υπολογιστικά μοντέλα, τα οποία περιλαμβάνουν τη φυσική στρεβλωμένου χώρου, την υπέρθερμη ύλη και τα ισχυρά μαγνητικά πεδία. Πολλά από τα χαρακτηριστικά της παρατηρούμενης εικόνας ταιριάζουν με τη θεωρητική μας κατανόηση εκπληκτικά καλά".

Η εικόνα παρείχε επίσης νέες μετρήσεις για τη μάζα και τη διάμετρο του M87*. Το EHT μέτρησε τη μάζα της μαύρης τρύπας σε 6,5 ± 0,7 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες και μέτρησε τη διάμετρο του ορίζοντα γεγονότων της να είναι περίπου 40 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα 40 billion kilometres (270 AU; 0,0013 pc; 0,0042 ly), περίπου 2,5 φορές μικρότερη από τη σκιά που εκπέμπει, όπως φαίνεται στο κέντρο της εικόνας. Από την ασυμμετρία του δακτυλίου, το EHT συνήγαγε ότι η ύλη στην πιο φωτεινή νότια πλευρά του δίσκου κινείται προς τη Γη, τον παρατηρητή. Αυτό βασίζεται στη θεωρία ότι η επερχόμενη ύλη εμφανίζεται πιο φωτεινή λόγω της σχετικιστικής ακτινοβολίας. Προηγούμενες παρατηρήσεις του πίδακα της μαύρης τρύπας έδειξαν ότι ο άξονας περιστροφής της μαύρης τρύπας είναι κεκλιμένος σε γωνία 17° σε σχέση με την γραμμή του βλέμματος του παρατηρητή. Από αυτές τις δύο παρατηρήσεις, το EHT κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η μαύρη τρύπα περιστρέφεται δεξιόστροφα, όπως φαίνεται από τη Γη.

Η παραγωγή μιας εικόνας από δεδομένα από μια συστοιχία ραδιοτηλεσκοπίων απαίτησε πολλή καινούρια μαθηματική εργασία. Τέσσερις ανεξάρτητες ομάδες δημιούργησαν εικόνες για να αξιολογήσουν την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Αυτές οι μέθοδοι περιελάμβαναν τόσο έναν καθιερωμένο αλγόριθμο της ραδιοαστρονομίας για την ανασύνθεση εικόνας γνωστό ως CLEAN, που εφευρέθηκε από τον Jan Högbom, καθώς και αυτο-βαθμονομούμενες μεθόδους επεξεργασίας εικόνας για την αστρονομία, όπως ο αλγόριθμος CHIRP που δημιουργήθηκε από την Katherine Bouman και άλλους. Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν τελικά ήταν ένας αλγόριθμος κανονικοποιημένης μέγιστης πιθανότητας (RML) και ο αλγόριθμος CLEAN.

Σύμπραξη

Η Σύμπραξη EHT αποτελείται από 13 ινστιτούτα μετόχων:

• Το Ινστιτούτο Αστρονομίας και Αστροφυσικής Academia Sinica
• Το Πανεπιστήμιο της Αριζόνας
• Το Πανεπιστήμιο του Σικάγου
• Το Παρατηρητήριο της Ανατολικής Ασίας (East Asian Observatory)
• Το Πανεπιστήμιο Γκαίτε της Φρανκφούρτης
• Το Παρατηρητήριο Αστροφυσικής Smithsonian (τμήμα του Κέντρου Αστροφυσικής, Harvard & Smithsonian)
• Το Ινστιτούτο ραδιοαστρονομίας Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM, το οποίο πρόκειται για συνεργασία μεταξύ του Γαλλικού CNRS, του Γερμανικού Max Planck Society, και του Ισπανικού Εθνικού Γεωγραφικού Ινστιτούτου),
• Το Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano
• Το Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας Max Planck
• Το Παρατηρητήριο Haystack του MIT
• Το Εθνικό Παρατηρητήριο Αστρονομίας της Ιαπωνίας
• Το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Perimeter Institute for Theoretical Physics
• Το Πανεπιστήμριο Radboud

Ένα σχηματικό διάγραμμα του μηχανισμού VLBI του EHT. Κάθε κεραία, τοποθετημένη σε τεράστιες αποστάσεις από τις άλλες κεραίες, έχει ένα εξαιρετικά ακριβές ατομικό ρολόι. Τα αναλογικά σήματα που συλλέγονται από την κεραία μετατρέπονται σε ψηφιακά σήματα και αποθηκεύονται σε σκληρούς δίσκους μαζί με τα σήματα χρόνου που παρέχονται από το ατομικό ρολόι. Οι σκληροί δίσκοι αποστέλλονται στη συνέχεια σε μια κεντρική τοποθεσία για συγχρονισμό. Μια εικόνα αστρονομικής παρατήρησης λαμβάνεται με επεξεργασία των δεδομένων που συλλέγονται από πολλές τοποθεσίες.

Τα ιδρύματα που συνδέονται με το EHT περιλαμβάνουν:

• Το Πανεπιστήμιο Aalto
• Το Πανεπιτήμιο της Βοστώνης
• Το Πανεπιστήμιο Brandeis
• Το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας
• Το Καναδικό Ινστιτούτο Ανεπτυγμένης Έρευνας
• Το Καναδικό Ινστιτούτο Θεωρητικής Αστροφυσικής
• Το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers, το Διαστημικό Παρατηρητήριο Onsala
• Την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
• Το Εθνικό Συμβούλιο Επιστήμης και Τεχνολογίαςτου Μεξικού
• Το Κέντρο Αστροφυσικής και Επιστήμης των Πλανητών του Πανεπιστημίου Cornell
• Το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας
• Το Google Research
• Το Πανεπιστήμιο Μεταπτυχιακών Σπουδών της Ιαπωνίας (SOKENDAI), Τμήμα Στατιστικής / Τμήμα Αστρονομικών Επιστημών
• Το Πανεπιστήμιο Χιροσίμα, Κέντρο Αστροφυσικής Χιροσίμα
• Το Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας Huazhong, Τμήμα Φυσικής
• Το Ινστιτούτο Στατιστικών Μαθηματικώντης Ιαπωνίας
• Το Ινστιτούτο Αστροφυσικής της Ανδαλουσίας, Ανώτερο Συμβούλιο Επιστημονικής Έρευνας
• Το Εθνικό Γεωγραφικό Ινστιτούτο της Ισπανίας
• Το Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής, Οπτικής και Ηλεκτρονικής του Μεξικού
• Το Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής (INAF) - Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας της Μπολόνια, Ιταλικό Περιφερειακό Κέντρο ALMA
• Το Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής, Τμήμα Νάπολης
• Το Ινστιτούτο για το VLBI στην Ευρώπη
• Το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Μηχανικών Kogakuin
• Το Ινστιτούτο Αστρονομίας και Διαστήματος Κορέας
• Το Πανεπιστήμιο Leiden, Το Παρατηρητήριο Leiden
• Το Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos
• Το Ινστιτούτο Max Planck για εξωγήινη φυσική
• Το Πανεπιστήμιο Nanjing, Βασικό Εργαστήριο Σύγχρονης Αστρονομίας και Αστροφυσικής / Σχολή Αστρονομίας και Διαστημικής Επιστήμης
• Το Εθνικό Παρατηρητήριο Οπτικής Αστρονομίας
• Το Εθνικό Παρατηρητήριο Ραδιοαστρονομίας
• Το Εθνικό Πανεπιστήμιο Sun Yat-Sen, Τμήμα Φυσικής
• Το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Ταϊβάν, Τμήμα Φυσικής
• Τον Οργανισμό Επιστημονικής Έρευνας Ολλανδίας
• Το Πανεπιστήμιο Πεκίνου, Τμήμα Αστρονομίας, Σχολή Φυσικής / Ινστιτούτο Αστρονομίας και Αστροφυσικής Kavli
• Το Πανεπιστήμιο Rhodes, Κέντρο Τεχνικών και Τεχνολογιών Ραδιοαστρονομίας, Τμήμα Φυσικής και Ηλεκτρονικής
• Το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ, Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας
• Το Πανεπιστήμιο Tohoku, Ινστιτούτο Αστρονομίας / Ινστιτούτο Έρευνας για τις Διεπιστημονικές Επιστήμες
• Το Πανεπιστήμιο Concepción της Χιλής, Τμήμα Αστρονομίας
• Το Εθνικό Αυτόνομο Πανεπιστήμιο του Μεξικού, Ινστιτούτο Αστρονομίας / Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας και Αστροφυσικής
• Το Πανεπιστήμιο της Βαλένθια, Τμήμα Αστρονομίας και Αστροφυσικής / Αστρονομικό Παρατηρητήριο
• Το Πανεπιστημιακό Κολλέγιο Λονδίνου, Εργαστήριο Επιστημών Διαστήματος Mullard
• Το Πανεπιστήμιο το Άμστερνταμ, Ινστιτούτο Anton Pannekoek & GRAPPA
• Το Πανεπιστήμιο της Αριζόνας
• Το Πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνιας
• Το Πανεπιστήμιο Santa Barbara της Καλιφόρνιας
• Το Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, Σχολή Αστρονομίας και Επιστημών του Διαστήματος
• Το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, Τμήμα Αστρονομίας / Τμήμα Φυσικής
• Το Πανεπιστήμιο Amherst της Μασαχουσέτης, Τμήμα Αστρονομίας
• Το Πανεπιστήμιο της Πρετόρια, Τμήμα Φυσικής
• Το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας
• Το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, Τμήμα Αστρονομίας
• Το Πανεπιστήμιο της Αγίας Πετρούπολης, Ινστιτούτο Αστρονομίας
• Το Πανεπιστήμιο του Τόκιο, Μεταπτυχιακή Σχολή Επιστημών, Τμήμα Αστρονομίας / Ινστιτούτο Kavli Φυσικής & Μαθηματικών του Κόσμου
• To Πανεπιστήμιο του Τορόντο, Ινστιτούτο Dunlap για Αστρονομία και Αστροφυσική
• To Πανεπιστήμιο του Waterloo, Κέντρο Αστροφυσικής του Waterloo / Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας
• Το Πανεπιστήμιο Yonsei, Τμήμα Αστρονομίας

Εξωτερικοί Σύνδεσμοι

• Επίσημη Ιστοσελίδα
• Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων, επίσημος λογαριασμός στο Facebook.
• Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων, επίσημος λογαριασμός στο Twitter.
• Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων, κανάλι στο YouTube.