Ein Mittwoch, 10. April Die Welt wurde mit etwas Beispiellosem verwöhnt - dem allerersten Bild eines Schwarzen Lochs! Insbesondere hat das Bild das Supermassive Black Hole SMBH in der Mitte von aufgenommen. M87 auch bekannt als Jungfrau A, eine überragende elliptische Galaxie im Sternbild Jungfrau.
Dieses Bild wird bereits mit Bildern wie dem " hellblauer Punkt "aufgenommen von Voyager 1 Mission oder " Earthrise "Bild aufgenommen von Apollo 8 . Wie diese Bilder hat das Bild des Schwarzen Lochs M87 die Fantasie von Menschen auf der ganzen Welt erweckt.
Diese Leistung stützte sich auf jahrelange harte Arbeit, an der Astronomen, Observatorien und wissenschaftliche Einrichtungen aus der ganzen Welt beteiligt waren. Wie bei den meisten Errungenschaften dieses Kalibers spielten unzählige Menschen eine Rolle und verdienen Anerkennung dafür.
Künstlerische Darstellung eines sich schnell drehenden supermassiven Schwarzen Lochs, umgeben von einer Akkretionsscheibe. Quelle : ESO / Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik
Aber wie immer gab es eine Handvoll Leute, deren Beiträge wirklich herausragend waren. Darüber hinaus hing die Aufnahme des allerersten Bildes eines Schwarzen Lochs von vielen speziellen Technologien und wissenschaftlichen Methoden ab, die ebenfalls Beachtung verdienen. Das könnte man sagenseine historische Leistung hatte einen historischen Aufbau!
Diejenigen, die es geschafft haben :
Seit das EHT-Projekt das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht hat, ist Katherine Bouman zu einem bekannten Namen geworden. Aber wer ist dieser Jäger des Schwarzen Lochs, dessen Arbeit uns geholfen hat, einem der mysteriösesten Phänomene ins Gesicht zu schauen?im Universum?
Bouman promovierte 2017 am Massachusetts Institute of Technology MIT in Elektrotechnik und Informatik. Seitdem arbeitet Bouman als Postdoktorandin beim Event Horizon Telescope-Projekt, bei dem sie neue Berechnungsmethoden anwendetedie Grenzen der Bildgebungstechnologie überschreiten.
Zu ihren Beiträgen gehört die Entwicklung eines Algorithmus, der maßgeblich zum Erhalt des Bildes beigetragen hat, bekannt als Kontinuierliche hochauflösende Bildrekonstruktion mit Patch-Priors CHIRP. Obwohl CHIRP selbst nicht verwendet wurde, inspirierte es die verwendeten Bildvalidierungsverfahren, die Bouman auch bei der Entwicklung maßgeblich spielte.
VERBINDUNG: BILD EINES SCHWARZEN LOCHES, DAS ZUM ERSTEN MAL ENTDECKT WURDE
Zusätzlich zur Überprüfung und Auswahl von Parametern zum Filtern von Bildern, die vom EHT aufgenommen wurden, half sie auch dem Bildgebungs-Framework, das die Ergebnisse verschiedener Bildrekonstruktionstechniken verglich. Nach der Veröffentlichung des Schwarzlochbildes wurde ein Foto von Bouman, der vor einem Computerbildschirm lächelte, im Internet viral.
Nach der Ankündigung, Bouman hat ein Foto gepostet von ihr und ihrem und dem Forschungsteam siehe oben mit der Überschrift :
"Ich bin so aufgeregt, dass wir endlich mitteilen können, woran wir im letzten Jahr gearbeitet haben! Das heute gezeigte Bild ist die Kombination von Bildern, die mit mehreren Methoden erstellt wurden. Kein Algorithmus oder keine Person hat dieses Bild erstellt, es ist erforderlichDas erstaunliche Talent eines Teams von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt und jahrelange harte Arbeit bei der Entwicklung des Instruments, der Datenverarbeitung, der Bildgebungsmethoden und der Analysetechniken, die erforderlich waren, um diese scheinbar unmögliche Leistung zu vollbringen. Es war wirklich eine Ehre, undIch bin so glücklich, die Gelegenheit gehabt zu haben, mit euch allen zusammenzuarbeiten. "
Bouman und ihre Gruppe analysieren derzeit die Bilder des Event Horizon Telescope, um mehr darüber zu erfahren. allgemeine Relativitätstheorie in einem starken Gravitationsfeld. Für ihre herausragende Arbeit erhielt Bouman kürzlich auch eine Stelle als Assistenzprofessorin bei Caltech Informatik und Mathematik CMS Abteilung.
Bouman wird zusammen mit Caltech ein Labor einrichten, das sich dem Experimentieren mit Algorithmen für rechnergestützte Bildgebung und maschinelles Lernen widmet. Dieses Labor wird das erste seiner Art sein und voraussichtlich einen signifikanten Einfluss auf die Untersuchung von Gravitationssingularitäten habenund andere extreme Phänomene.
Dann ist da noch Sheperd Doeleman, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics CfA, der stellvertretende Direktor für Beobachtung bei Harvards Black Hole Initiative und der Direktor des EHT. Er ist auch ein leitender Wissenschaftler am MITund der stellvertretende Direktor des MIT Haystack Observatory - einer von acht, die an der EHT teilgenommen haben.
Während seiner Zeit am Haystack Observatory des MIT sah Doeleman als einer der ersten die ersten Hinweise auf das Schwarze Loch in der Mitte der Milchstraße. Dies geschah aufgrund von Analysen, die er durchgeführt hatte, um die Daten zu verstehendas hat es zuerst offenbart.
"Das war ein Moment, in dem es eine Person auf der Welt gab - mich - die wusste, was gerade passiert war", sagte er. sagte . "Das war ziemlich erstaunlich. Denn sobald wir wussten, dass etwas da war, zogen sich die Handschuhe aus und wir waren bereit, ein erdgroßes Array zu bauen, um es abzubilden."
Im Mai 2018 erreichte sein Team jedoch das, was viele für unmöglich hielten. Es begann mit einer Konferenz am BHI, bei der Studenten und Postdocs einige der Daten, die sie erhalten hatten, an Doeleman weitergaben. beschrieben der Moment der Entdeckung :
„Wir konnten die verräterischen Signaturen in diesen Daten sehen ... und wir haben sie uns alle nur angesehen und gesagt:‚ Wow. 'Ich habe bis spät in die Nacht gearbeitet und mir ein Modell ausgedacht, wie groß das war, was wir sahen.und da wusste ich, dass wir etwas sehr, sehr Interessantes hatten. ”
Zusätzlich zu seiner umfangreichen Erfahrung im Studium astrophysikalischer Phänomene brachte Doeleman auch seine Expertise in Sehr lange Basislinieninterferometrie VLBI. Dieser Prozess, bei dem Funkschüsseln, die durch große Entfernungen voneinander getrennt sind, zu einem virtuellen Teleskoparray kombiniert werden, war für die Bemühungen des EHT von wesentlicher Bedeutung.
Mit seiner Gruppe am MIT half Doeleman bei der Entwicklung der Instrumente, mit denen Astronomen mit VLBI an erdgestützten Observatorien die größtmögliche Auflösung erzielen konnten. In der Vergangenheit er und sein Team haben verwendete diese Technik, um neugeborene Sterne und die Atmosphäre sterbender Sterne zu untersuchen.
Mit den Bildgebungsfunktionen von EHT können die Techniken, mit denen er Pionierarbeit geleistet hat, nun verwendet werden, um zu untersuchen, wie Schwerkraft und allgemeine Relativitätstheorie unter extremsten Bedingungen funktionieren. Dies öffnet effektiv eine neue Tür zum Verständnis der Funktionsweise unseres Universums.
„Dies erfüllt unseren Traum, das erste Bild eines Schwarzen Lochs zu machen“ sagte Doeleman. "Wir haben jetzt Zugang zu einem kosmischen Labor mit extremer Schwerkraft, in dem wir Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie testen und unsere grundlegenden Annahmen über Raum und Zeit in Frage stellen können."
Dank seiner Rolle bei der Koordination des Projekts leitet Doeleman jetzt das EHT-Projekt. Neben Bouman und Doeleman spielten unzählige Wissenschaftler und Ingenieure eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung dieses Meilensteins. Darüber hinaus waren mehrere wichtige Einrichtungen und Prozesse beteiligt.
Wie das Bild aufgenommen wurde :
Das Event Horizon Telescope EHT ist im Wesentlichen ein Radioteleskop in Planetengröße, das aus Observatorien aus der ganzen Welt besteht. Derzeit besteht das EHT aus acht Standorten, darunter das :
- James Clerk Maxwell Teleskop JCMT am Mauna Kea Observatory CSO in Hawaii
- Großes Millimeter-Teleskop Alfonso Serrano LMT auf der Volcán Sierra Negra in der Nähe von Veracruz, Mexiko
- Kombiniertes Array für die Forschung in der Millimeterwellenastronomie CARMA in Ostkalifornien
- Kitt Peak National Observatory 's KPNO zwei Radioteleskope, südlich von Tucson, Arizona gelegen
- Arizona Radio Observatory ARO Submillimeter Telescope SMT im Süden von Arizona
- Europäische Südsternwarte ESO Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array ALMA in Nordchile
- 30-Meter-Teleskop in Südspanien, die von der betrieben werden Institut für Millimeter-Radioastronomie IRAM
- Südpol-Teleskop SPT am Südpolstation Amundsen - Scott
Durch Kombinieren von Funkantennen und Daten von mehreren Interferometrie mit sehr langer Grundlinie VLBI -Stationen kann das EHT eine Auflösung erreichen, mit der Wissenschaftler die Zwischenumgebung um Schwarze Löcher auch bekannt als Ereignishorizont betrachten können.
Dies war angesichts der extremen Natur der Schwarzen Löcher keine leichte Aufgabe. Ursprünglich vorhergesagt von Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie GR, Schwarze Löcher sind im Wesentlichen das, was aus besonders massiven Sternen wird, wenn sie das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.
Zu diesem Zeitpunkt erleidet ein Stern, wenn er den letzten Teil seines Wasserstoff- und Heliumbrennstoffs verbraucht hat, einen Gravitationskollaps. Dies führt zu einer massiven Explosion, die als Supernova bezeichnet wird und bei der der Stern seine äußeren Schichten abbläst. Abhängig von der Masse vonDas Ergebnis ist entweder ein Sternrest dh ein Neutronenstern oder ein "weißer Zwerg" oder ein Schwarzes Loch.
Tatsächlich ist der Begriff "Schwarzes Loch" eine Fehlbezeichnung, da es sich tatsächlich um extrem komprimierte Objekte handelt, die eine außergewöhnliche Menge an Materie in einem winzigen Bereich enthalten. Aufgrund ihrer kompakten Natur üben sie eine extrem starke Gravitationskraft auswas nichts - nicht einmal Licht - entkommen kann.
Aus diesem Grund konnten Wissenschaftler die Existenz von Schwarzen Löchern nur anhand der Auswirkungen auf ihre Umgebung ableiten. Dazu gehört die Art und Weise, wie sie die Raumzeit verzerren, wodurch Objekte um sie herum in exzentrische Bahnen fallen, und wie sie es tun werdendas Material in eine Scheibe um sich herum fallen lassen, die auf Hunderte von Milliarden Grad erhitzt wird.
Als Ramesh Narayan, Professor an der Harvard University und führend in der Arbeit der EHT-Theorie zusammengefasst :
„Seit Jahrzehnten untersuchen wir, wie Schwarze Löcher Material verschlucken und die Herzen von Galaxien antreiben. Endlich ein Schwarzes Loch in Aktion zu sehen, das sein nahe gelegenes Licht in einen hellen Ring biegt, ist eine atemberaubende Bestätigung dafür, dass supermassereiche Schwarze Löcher existieren und übereinstimmendas Aussehen, das von unseren Simulationen erwartet wird. ”
Die Ziele des Projekts waren die beiden Schwarzen Löcher mit der größten scheinbaren Winkelgröße von der Erde aus gesehen. Dies sind das SMBH im Zentrum der Milchstraße Schütze A * und das SMBH im Zentrum der als M87 bekannten GalaxieJungfrau A.
Um ein Bild dieser SMBHs aufzunehmen, brauchten Astronomen ein Teleskop mit beispielloser Auflösung. Hier kam das ELT ins Spiel. Jonathan Weintroub, der die Instrument Development Group des EHT koordiniert. erklärt :
„Die Auflösung des EHT hängt von der Trennung zwischen den Teleskopen ab, die als Basislinie bezeichnet wird, sowie von den beobachteten kurzen Millimeter-Radiowellenlängen. Die feinste Auflösung im EHT ergibt sich aus der längsten Basislinie, die sich für M87 von Hawaii aus erstrecktnach Spanien. Um die Empfindlichkeit der langen Basislinie zu optimieren und Erkennungen zu ermöglichen, haben wir ein spezielles System entwickelt, das die Signale aller verfügbaren SMA-Gerichte auf Maunakea addiert. In diesem Modus fungiert die SMA als einzelne EHT-Station. “
Über seine acht Observatorien zeichnete das EHT Millionen Gigabyte Daten dieser beiden Schwarzen Löcher auf. Insgesamt nahm jedes Teleskop etwa ein Petabyte 1 Million Gigabyte Daten auf und zeichnete sie auf mehreren Mark6-Einheiten auf - Datenrekordernursprünglich am Haystack Observatory entwickelt.
Nach dem Ende des Beobachtungslaufs packten die Forscher an jeder Station den Stapel Festplatten zusammen, die dann zum geflogen wurden. MIT Haystack Observatory in Massachusetts, USA und den Max-Planck-Institut für Radioastronomie , Bonn, Deutschland.
Dort wurden die Daten von 800 Computern, die über a verbunden sind, miteinander korreliert und analysiert. 40 Gbit / s Netzwerk. Um diese Daten in ein Bild umzuwandeln, müssen jedoch neue Methoden und Verfahren entwickelt werden.
Dies beinhaltete den Vergleich von Bildern zwischen vier unabhängigen Gruppen von Wissenschaftlern mit drei verschiedenen Bildgebungsmethoden - die von Katie Bouman entworfen und geleitet wurden. In den kommenden Jahren plant das EHT, die Winkelauflösung des Projekts zu verbessern, indem zwei weitere Arrays hinzugefügt und kürzere Arrays verwendet werden.Wellenlängenbeobachtungen.
Dazu gehören die Grönland-Teleskop das gemeinsam vom Smithsonian Astrophysical Observatory und dem Academia Sinica Institut für Astronomie und Astrophysik sowie von IRAMs betrieben wird Northern Extended Millimeter Array NOEMA in Südfrankreich.
Warum sieht es aus wie "Ein Feuerring"? :
Zusätzlich zur Existenz von Schwarzen Löchern sagte Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass ein Schwarzes Loch einen kreisförmigen Schatten auf die leuchtende Materialscheibe werfen würde, die es umgibt. Im Wesentlichen würde der Bereich innerhalb des Ereignishorizonts der Schwarzen Löcher als Gesamt erscheinenSchwärze, in starkem Kontrast zu der sehr hellen Scheibe dahinter.
Der Vorsitzende des EHT Science Council, Heino Falcke von der Radboud University in den Niederlanden erklärt alles wie folgt :
"Wenn wir in eine helle Region wie eine Scheibe glühenden Gases eintauchen, erwarten wir, dass ein Schwarzes Loch eine dunkle Region erzeugt, die einem Schatten ähnelt - etwas, das durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird, die wir noch nie zuvor gesehen haben. Dieser Schatten verursachtDurch die Biegung der Gravitation und die Erfassung des Lichts durch den Ereignishorizont wird viel über die Natur dieser faszinierenden Objekte verraten und die enorme Masse des Schwarzen Lochs von M87 gemessen. "
Interessanterweise wurde dieses Erscheinungsbild auch vom Spezialeffekt-Team hinter dem Film Interstellar genau vorhergesagt. Um dem Film ein Gefühl von Realismus zu verleihen, theoretischer Physiker und Nobelpreisträger Kip Thorne entwickelte einen neuen Satz von Gleichungen, um die Rendering-Software des Spezialeffekt-Teams zu steuern.
Um dies zu tun, stützte sich Thorne auf bekannte wissenschaftliche Prinzipien. Dazu gehörte die Tatsache, dass sich das Schwarze Loch aus einem massiven Sternrest bildete, was bedeuten würde, dass es sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit drehen würde. Dies würde auch bedeuten, dass das SchwarzeDas Loch hätte eine helle Akkretionsscheibe, die sich gleichzeitig über und unter zu krümmen scheint.
VERBINDUNG: DIE "INTERSTELLAREN" BEITRÄGE VON KIP THORNE
Um die Akkretionsscheibe zu simulieren, erzeugte das Spezialeffektteam einen flachen, mehrfarbigen Ring und positionierte ihn um das sich drehende Schwarze Loch. Das Endergebnis zeigte, dass der Verzerrungseffekt, den es auf die Raumzeit hatte, auch die Akkretionsscheibe verziehen würde - wodurch die Akkretionsscheibe entstehtIllusion eines Heiligenscheines.
Wenn man das Bild des SMBH von M87 mit dem Rendering von Interstellar vergleicht siehe unten, sieht man einige verblüffende Ähnlichkeiten. Dazu gehören die zentralen, schattigen Bereiche und die sie umgebenden hellen Akkretionsscheiben, die ihnen eine Art "Feuerring" verleihen"oder" Auge von Sauron "Art der Erscheinung.
Implikationen für die Astrophysik :
Wie viele Astronomen seit der Veröffentlichung des Bildes erklärt haben, eröffnet die Fähigkeit, ein Schwarzes Loch zu fotografieren, eine neue Ära in der Astrophysik. Ähnlich wie bei der erstmaligen Erkennung von Gravitationswellen können Wissenschaftler mit dieser Leistung Phänomene effektiv erkennen und visualisierenwaren entweder theoretisch oder konnten nur indirekt untersucht werden.
Dazu gehören radikalere Tests der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie. Während im letzten Jahrhundert viele Tests durchgeführt wurden, um die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Raumzeit zu überprüfen, betrafen die meisten dieser Objekte Objekte in Planeten- oder Sterngröße.
Mit der Fähigkeit, SMBHs zu visualisieren, können die Wissenschaftler die Vorhersagen von Einsteins Feldgleichungen in einer möglichst extremen Umgebung testen. In der Vergangenheit wurden begrenzte Tests durchgeführt, indem das Verhalten von S2, einem der Sterne, beobachtet wurdeUmlaufbahn Schütze A * im Zentrum unserer Galaxie.
Aber mit der Fähigkeit, die Akkretionsscheibe und den Schatten von Schütze A * zu visualisieren, erwarten Astronomen, dass sie so viel mehr lernen können. Wissenschaftler erwarten auch, dass sie mehr darüber erfahren, wie Materie Scheiben um Schwarze Löcher bildet und sich auf ihnen ansammeltwas ihnen erlaubt zu wachsen.
Kurz gesagt, Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, wie Material den Übergang von der sich schnell drehenden Scheibe zum Ereignishorizont vollzieht. Obwohl davon ausgegangen wird, dass Materie in der Scheibe im Laufe der Zeit Energie verliert und schließlich hineinfällt, sind sich die Wissenschaftler nicht sicher, welche Ursachen dies habendieser Energieverlust.
Da die Materie in einer Scheibe so verdünnt ist, sollte herkömmliche Reibung nicht möglich sein, was darauf hindeutet, dass eine unbekannte Kraft im Spiel ist. Mit der Fähigkeit, zwei SMBHs und ihren Ereignishorizont zu untersuchen, können Wissenschaftler endlich verschiedene testenTheorien.
Außerdem hoffen die Wissenschaftler zu erfahren, warum Schütze A * im Vergleich zu SMBHs in anderen Galaxien relativ schwach ist. Tatsächlich erzeugen einige SMBHs so viel Energie aus ihren sich schnell drehenden Scheiben, dass ihre zentrale Region ihre galaktischen Kerne die Sterne in den Schatten stelltihre galaktischen Scheiben um ein Vielfaches.
Durch das Vorhandensein eines aktiven galaktischen Kerns Active Galactic Nucleus, AGN konnten Astronomen feststellen, dass die meisten Galaxien ein SMBH in ihrem Zentrum haben.Astronomen hoffen, diese Frage endlich beantworten zu können.
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Insgesamt spielten rund 200 Astronomen aus der ganzen Welt eine wichtige Rolle bei der Aufnahme des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs. Bouman beschrieben das EHT-Team als "Schmelztiegel von Astronomen, Physikern, Mathematikern und Ingenieuren, und genau das war nötig, um etwas zu erreichen, das einst für unmöglich gehalten wurde."
Mit zusätzlichen Einrichtungen, die dem EHT-Netzwerk hinzugefügt werden - ganz zu schweigen von regelmäßigen Verbesserungen in Bezug auf Berechnung, Bildgebung und Informationsaustausch - erwarteten die Wissenschaftler, bald mehr Schwarze Löcher sehen zu könnensei einfach umwerfend!
Weiterführende Literatur :
- Event Horizon Telescope
- NASA Science - Schwarze Löcher
- The Harvard Gazette - Schwarzes Loch enthüllt
- NSF - Astronomen erfassen das erste Bild eines Schwarzen Lochs
- The Astrophysical Journal - Erste Ergebnisse des M87 Event Horizon Telescope
- Der Atlantik - Die versteckte Schifffahrt und Handhabung hinter diesem Schwarzlochbild
- Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik - CFA spielt eine zentrale Rolle bei der Erfassung von Landmark Black Hole-Bildern
- MIT News - Observatorien auf der ganzen Welt arbeiten als „virtuelles Teleskop“ zusammen und produzieren erste direkte Bilder eines Schwarzen Lochs.