Algoritmi näytti meille mustan aukon

M87:n musta aukko

Hetki sitten julkistettiin ensimmäinen kuva mustasta aukosta. Tai tarkkaan ottaen kuvassa on aukon ympärillä oleva kerääntymäkiekko, jonka keskellä on musta alue – se on musta aukko, eikä sitä voi oikeastaan nähdä. Mullistava, mutta odotettu havainto tehtiin eri puolilla maapalloa olevien radioteleskooppien signaaleita yhdistämällä.

Kyseessä on M87 -galaksissa oleva supermassiivinen musta aukko, joka on noin 55 miljoonan kilometrin päässä Maasta.

Ei siis mitään paniikkia - etenkin kun lähempänäkin, jopa omassa Linnunradassammekin on erittäin todennäköisesti myös suuria mustia aukkoja. Tämä aukko on vain juuri sopivan suuri ja sen ympärillä oleva, kuumasta kaasusta muodostuva kerääntymäkiekko on sellaisessa asennossa, että voimme nähdä sen lähes suoraan yläpuolelta. Se on myös suhteellisen lähellä – vaikka silti kaukana Linnunradan ulkopuolella.

Vertailun vuoksi: meitä lähin täysikokoinen galaksi on 2,5 miljoonan valovuoden päässä oleva Andromeda.

Itse musta aukko on täysin pimeä kappale, josta valo ei pysty pakenemaan. Siksi mustan aukon kuvaamisella tarkoitetaankin sen ympäröivää säteilyä vasten näkyvän varjon kuvaamista.

Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa varjon olevan noin 2,5 kertaa suurempi halkaisijaltaan kuin itse mustan aukon tapahtumahorisontti, joka M87:n tapauksessa on noin 40 miljardia kilometriä. Musta aukko on massaltaan 6,5 miljardia Auringon massaa, ja nyt julkaistu havainto siitä tehtiin jo pari vuotta sitten.

Syy, miksi asia on nyt ajankohtainen, on The Astrophysical Journal Letters-lehden erityisnumero, missä on peräti kuusi aiheesta kertovaa artikkelia.

M87

M87-galaksi.


Havainti on tehty "tapahtumahorisonttiteleskoopilla", eli eri puolilla maapalloa olevien radioteleskooppien havaintoja yhdistävällä yhteenliittymällä. Englanniksi tämän nimi on Event Horizon Telescope, eli ETH.

Nimi tulee siitä, että mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi.

Kun kaukana toisistaan olevien teleskooppien signaaleita yhdistetään, on tuloksena havainto, joka on tarkkuudeltaan samanlainen kuin teleskooppien välimatkan kokoisella yhdellä isolla teleskoopilla. 

Teleskooppien signaaleita yhdistetään monimutkaisella tekniikalla, missä kaikkiaan kahdeksan teleskooppia on toiminut yhdessä. Teleskoopit sijaitsevat hyvin korkeilla paikoilla: Havaijin ja Meksikon tulivuorilla, Arizonan ja Espanjan Sierra Nevadan vuoristoissa, Chilen Atacaman autiomaassa ja Etelämantereella.

Kyseessä on ns. pitkäkantainterferometriatekniikka (very long baseline interferometry VLBI), joka vastaa lähes maapallon kokoista radioteleskooppia. Havaintoja tehtiin 1,3 mm:n aallonpituudella ja havaintojen tarkkuus on noin 20 mikrokaarisekuntia.

Tämä vastaa sitä, että pariisilaisesta kahvilasta pystyttäisiin lukemaan New Yorkissa olevaa sanomalehteä.

Kahdeksan mukana ollutta teleskooppia ovat ALMA, APEX, IRAM 30-metre Telescope, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope, ja South Pole Telescope [6]. Teleskoopeista saatu raakadata, jota on petatavuittain, yhdistettiin radiotähtitieteen Max Planck instituutin ja MIT:n Haystackin observatorion supertietokoneilla.

EHT:n rakentaminen ja tänään julkistetut havainnot ovat vuosikymmenten työn huipentuma. Kolmetoista kumppanuusinstituuttia ovat yhdessä muodostaneet EHT:n hyödyntämällä olemassa olevaa infrastruktuuria ja useiden eri laitosten tukea.

Katie Bowman

Olennaista kuvan tekemisessä oli algoritmi, jolla havainnoista saatiin muodostettua kuva. Radioteleskoopit sinällään eivät ota kuvia, vaan se on muodostettu "keinotekoisesti" signaainkäsittelyn avulla. Tämä on jälleen yksi esimerkki siitä, että tietokoneavusteinen nykytekniikka on aivan erinomaista ja suorituskykyistä, mutta etääntynyt yhä kauemmaksi perinteisestä kaukoputkeen katsomisesta.

Toinen esimerkki tällaisesta on gravitaatioaaltojen havaitseminen, mikä vaatii huimaa laskentaa, mutta perustuu täysin luonnonlakeihin. 

Itse asiassa se, että tämäkin havainto on juuri tällainen, vahvistaa edelleen esimerkiksi Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa, koska kerääntymäkiekko ja musta aukko sen keskellä ovat juuri odotetun kaltaisia.

Kuvan muodostaneen algoritmin pääkehittäjä on Massachusettsin teknologiainstituutissa, MIT:ssä havainnon tekoaikaan työskennellyt Katie Bouman (kuvassa ylhäällä).

Kaikkiaan hankkeessa on ollut mukana yli 200 tutkijaa, yksi myös Suomesta: Tuomas Savolainen Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasemalta.

"Kuvan muodostaminen datasta oli tehtävä äärimmäisen huolellisesti. Vaikka prosessi tuntui välillä tuskastuttavan hitaalta, juuri menetelmien kattava testaus ja analyysien riippumattomat tarkistukset ovat edellytys luotettavalle tulokselle”, kertoo Savolainen Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Metsähovin radiotutkimusasema kuuluu Aalto-yliopistoon.

"Huolellisuus totisesti kannatti. Olemme Metsähovissa tutkineet aktiivisia galakseja jo vuosikymmenten ajan ja nyt meillä vihdoin on suora todiste siitä, että niiden voimanlähde todella on supermassiivinen musta aukko.”

Metsähovissa on kehitetty paljon radioteleskooppien interferometriaan liittyvää tekniikkaan ja osaamista. Periaatteena on se, että toisiinsa fyysisesti liittymättömien teleskooppien havainnot yhdistetään ajastamalla ne erittäin tarkasti yhteen. Tähän tarvitaan äärimmäisen tarkka aikasignaali, joka saadaan vetymaser -atomikelloista.

Nyt kyseessä olevat havainnot mustasta aukosta tehtiin 1,3 mm:n aallonpituudella vuonna 2017.

Jokainen EHT:n teleskooppi tuotti valtavan määrän dataa (noin 350 teratavua päivittäin), joka tallennettiin erittäin tehokkaille helium-täytteisille kovalevyille. Tämä data syötettiin aivan erityisiin supertietokoneisiin, korrelaattoreihin, Max Planckin radiotähtitieteen instituutissa ja MIT:n Haystackin observatoriolla ja yhdistettiin.  

Sitten data muunnettiin kuvaksi yhteistyöverkoston valmistamia edistyneitä työkaluja käyttäen. Olennaisin näistä oli Boumanin kehittämä algoritmi.

M87 päältä

Kuvassa taitelijan näkemys valon liikkeestä mustan aukon läheisyydessä. Kuvassa näkyvä varjo on seurausta gravitaation aiheuttamasta valon taipumisesta sekä valon katoamisesta tapahtumahorisonttiin. Kuva: Nicolle R. Fuller/NSF
 


Pieni koko, valtava massa

Mustat aukot ovat poikkeuksellisia kosmisia kohteita: massaltaan valtavia, mutta kooltaan hyvin pieniä. Mustat aukot vaikuttavat ympäristöönsä taivuttaen aika-avaruutta ja kuumentaen niiden ympärillä olevaa ainetta.

"Jos musta aukko on kirkkaasti säteilevän kaasukiekon ympäröimä, oletamme aukon muodostavan varjon kaltaisen tumman alueen. Tämä on Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustama ilmiö, jota emme ole koskaan aikaisemmin nähneet", EHT:n tiedeneuvoston puheenjohtaja Heino Falcke Hollannista Radboudin yliopistosta kertoo.

"Tämä varjo on seurausta gravitaation aiheuttamasta valon taipumisesta sekä valon katoamisesta tapahtumahorisonttiin."

Useat eri kalibrointi- ja kuvantamismenetelmät paljastivat rengasmaisen rakenteen, jossa on tumma keskusalue eli mustan aukon varjo. Tulos pysyi samana useissa riippumattomissa havainnoissa.

"Kun olimme varmoja, että olemme saaneet kuvattua varjon, pystyimme vertaamaan tulosta tarkkoihin tietokonemalleihin, jotka sisältävät taipuneen avaruuden, ylikuumentuneen aineen ja voimakkaiden magneettikenttien fysiikkaa. Havainnoista saatu kuva vastaa hyvin meidän teoreettista käsitystämme", kertoo Paul T.P. Ho, EHT:n hallituksen jäsen ja East Asian Observatoryn johtaja.

"Se tekee meidät luottavaisiksi havaintojemme tulkinnasta, mukaan lukien arviomme mustan aukon massasta."

Juttu perustuu osittain Aalto-yliopiston tiedotteeseen. Lisätietoja saa myös ESO:n tiedotteesta, missä on myös lisää kuvia. Kuvat: ETH, Nicolle R. Fuller/NSF ja Katie Bowman.