Teleskop Horyzontu Zdarzeń -Event Horizon Telescope

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

Teleskop Horyzontu Zdarzeń
Teleskop Event Horizon i globalna macierz mm-VLBI na Ziemi.jpg
Event Horizon Telescope.svg
Alternatywne nazwy EHT Edytuj to na Wikidata
Stronie internetowej eventhorizonteleskop .org Edytuj to na Wikidata
Teleskopy Atacama Large Millimeter Array
Atacama Pathfinder Experiment
Teleskop Heinrich Hertz Submillimeter Teleskop
IRAM 30m Teleskop
James Clerk Maxwell Telescope
Large Millimeter Telescope Teleskop
bieguna południowego
Submillimeter Array Edytuj to na Wikidata
Powiązane multimedia na Wikimedia Commons

Teleskop Event Horizon ( EHT ) to duża sieć teleskopów składająca się z globalnej sieci radioteleskopów . Projekt EHT łączy dane z kilku stacji interferometrii o bardzo długich liniach bazowych (VLBI) wokół Ziemi, które tworzą połączony układ o rozdzielczości kątowej wystarczającej do obserwowania obiektów wielkości horyzontu zdarzeń supermasywnej czarnej dziury . Cele obserwacyjne projektu obejmują dwie czarne dziury o największej średnicy kątowej obserwowanej z Ziemi: czarną dziurę w centrum nadolbrzyma galaktyki eliptycznej Messier 87 (M87*, wymawiane „M87-Star”) i Sagittarius A* (Sgr A*, wymawiane „Sagittarius A-Star”) w centrum Drogi Mlecznej .

Projekt Event Horizon Telescope to międzynarodowa współpraca zapoczątkowana w 2009 roku po długim okresie prac teoretycznych i technicznych. Jeśli chodzi o teorię, prace nad orbitą fotonów i pierwsze symulacje tego, jak wyglądałaby czarna dziura, posunęły się do przewidywań obrazowania VLBI dla czarnej dziury w Centrum Galaktyki, Sgr A*. Postęp techniczny w obserwacjach radiowych przeszedł od pierwszego wykrycia Sgr A*, poprzez VLBI na coraz krótszych długościach fal, ostatecznie prowadząc do wykrycia struktury skali horyzontu zarówno w Sgr A*, jak i M87. Współpraca obejmuje obecnie ponad 300 członków, 60 instytucji działających w ponad 20 krajach i regionach.

Pierwsze zdjęcie czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87 zostało opublikowane przez EHT Collaboration 10 kwietnia 2019 r. w serii sześciu publikacji naukowych. Matryca dokonała tej obserwacji przy długości fali 1,3 mm i teoretycznej rozdzielczości ograniczonej dyfrakcją 25 mikrosekund kątowych . W marcu 2021 r. Collaboration po raz pierwszy zaprezentowało spolaryzowany obraz czarnej dziury, który może pomóc w lepszym ujawnieniu sił powodujących powstawanie kwazarów . Plany na przyszłość obejmują poprawę rozdzielczości matrycy poprzez dodanie nowych teleskopów i prowadzenie obserwacji na krótszych falach. 12 maja 2022 roku astronomowie odsłonili pierwszy obraz supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, Sagittarius A* .

Tablica teleskopowa

Schematyczny diagram mechanizmu VLBI EHT. Każda antena, rozłożona na ogromne odległości, ma niezwykle precyzyjny zegar atomowy . Sygnały analogowe zbierane przez antenę są konwertowane na sygnały cyfrowe i zapisywane na dyskach twardych wraz z sygnałami czasu dostarczanymi przez zegar atomowy. Dyski twarde są następnie wysyłane do centralnej lokalizacji w celu zsynchronizowania. Obraz z obserwacji astronomicznych uzyskuje się poprzez przetwarzanie danych zebranych z wielu lokalizacji.
Obserwacje EHT podczas kampanii wielofalowej 2017 M87 rozłożone przez instrument z niższej (EHT / ALMA / SMA) częstotliwości do wyższej (VERITAS). (Fermi-LAT w trybie pomiaru ciągłego) (daty również w zmodyfikowanych dniach juliańskich )
Miękki obraz rentgenowski Strzelca A* (w środku) i dwa lekkie echa z niedawnej eksplozji (zakreślone)

EHT składa się z wielu obserwatoriów radiowych lub radioteleskopów na całym świecie, współpracujących ze sobą w celu stworzenia teleskopu o wysokiej czułości i rozdzielczości kątowej. Dzięki technice interferometrii bardzo długich linii bazowych (VLBI), wiele niezależnych anten radiowych oddalonych od siebie o setki lub tysiące kilometrów może działać jako układ fazowany, wirtualny teleskop, który można nakierować elektronicznie, o efektywnej aperturze, która jest równa średnicy całą planetę, znacznie poprawiając jej rozdzielczość kątową. Wysiłki obejmują opracowanie i wdrożenie submilimetrowych odbiorników z podwójną polaryzacją, wysoce stabilne standardy częstotliwości umożliwiające interferometrię o bardzo długich liniach bazowych w zakresie 230–450 GHz, zaplecza VLBI o wyższej przepustowości i rejestratory, a także uruchomienie nowych lokalizacji VLBI w zakresie submilimetrowym.

Każdego roku, od pierwszego zebrania danych w 2006 roku, sieć EHT przesuwała się, aby dodać więcej obserwatoriów do swojej globalnej sieci radioteleskopów. Oczekiwano, że pierwsze zdjęcie supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej, Sagittarius A*, zostało wykonane na podstawie danych zebranych w kwietniu 2017 roku, ale ponieważ podczas zimy australkiej (od kwietnia do października nie ma lotów do bieguna południowego lub z niego) pełny zestaw danych mógł zostać przetworzony dopiero w grudniu 2017 r., kiedy nadeszła przesyłka danych z Teleskopu Bieguna Południowego .

Dane gromadzone na dyskach twardych są transportowane przez komercyjne samoloty towarowe (tzw. sneakernet ) z różnych teleskopów do Obserwatorium MIT Haystack i Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka, gdzie dane są skorelowane i analizowane na komputerze siatkowym z około 800 procesorów wszystkie połączone przez sieć 40 Gbit/s .

Z powodu pandemii COVID-19, wzorców pogodowych i mechaniki nieba kampania obserwacyjna 2020 została przełożona na marzec 2021.

Messiera 87*

Seria obrazów przedstawiających osiągnięte powiększenie (jakby próbować zobaczyć piłkę tenisową na Księżycu). Rozpoczyna się w lewym górnym rogu i przesuwa się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby ostatecznie zakończyć w prawym górnym rogu.
Obraz M87* wygenerowany na podstawie danych zebranych przez Teleskop Event Horizon
Widok czarnej dziury M87* w świetle spolaryzowanym

Organizacja Event Horizon Telescope Collaboration ogłosiła swoje pierwsze wyniki na sześciu równoczesnych konferencjach prasowych na całym świecie 10 kwietnia 2019 r. Ogłoszenie zawierało pierwsze bezpośrednie zdjęcie czarnej dziury, które ukazywało supermasywną czarną dziurę w centrum Messiera 87, oznaczoną jako M87*. Wyniki naukowe zostały przedstawione w serii sześciu artykułów opublikowanych w The Astrophysical Journal Letters . W obszarze 6σ zaobserwowano obracającą się zgodnie z ruchem wskazówek zegara czarną dziurę .

Obraz był testem dla ogólnej teorii względności Alberta Einsteina w ekstremalnych warunkach. Badania wcześniej przetestowały ogólną teorię względności, obserwując ruchy gwiazd i obłoków gazu w pobliżu krawędzi czarnej dziury. Jednak obraz czarnej dziury jeszcze bardziej przybliża obserwacje do horyzontu zdarzeń. Teoria względności przewiduje obszar podobny do ciemnego cienia, spowodowany grawitacyjnym zginaniem i przechwytywaniem światła, które pasuje do obserwowanego obrazu. Opublikowany artykuł stwierdza: „Ogólnie rzecz biorąc, obserwowany obraz jest zgodny z oczekiwaniami dotyczącymi cienia wirującej czarnej dziury Kerra, zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności”. Paul TP Ho, członek zarządu EHT, powiedział: „Gdy byliśmy pewni, że zobrazowaliśmy cień, mogliśmy porównać nasze obserwacje z rozległymi modelami komputerowymi, które obejmują fizykę zakrzywionej przestrzeni, przegrzaną materię i silne pola magnetyczne. Wiele funkcji obserwowanego obrazu zaskakująco dobrze pasuje do naszego teoretycznego zrozumienia."

Obraz dostarczył również nowych pomiarów masy i średnicy M87*. EHT zmierzyło masę czarnej dziury6,5 ± 0,7 miliarda mas Słońca i zmierzył średnicę horyzontu zdarzeń wynoszącą około 40 miliardów kilometrów (270 AU; 0,0013 pc; 0,0042 ly), w przybliżeniu 2,5 razy mnizą niż rzucany przez nią cień, widoczny w centrum zdjęcia. Poprzednie obserwacje M87 wykazały, że wielkoskalowy dżet jest nachylony pod kątem 17° w stosunku do linii wzroku obserwatora i zorientowany na płaszczyźnie nieba pod kątem -72°. Na podstawie zwiększonej jasności południowej części pierścienia z powodu relatywistycznej wiązki zbliżającej się emisji dżetów ze ściany lejka, EHT wywnioskowała, że ​​czarna dziura, która zakotwicza dżet, obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jak widać z Ziemi. Symulacje EHT umożliwiają zarówno progresywną, jak i wsteczną rotację dysku wewnętrznego w odniesieniu do czarnej dziury, jednocześnie wykluczając zerowy spin czarnej dziury przy użyciu konserwatywnej minimalnej mocy dżetów wynoszącej 10 42 erg/s za pośrednictwem procesu Blandforda-Znajka .

Wytworzenie obrazu z danych z szeregu radioteleskopów wymaga dużo pracy matematycznej. Cztery niezależne zespoły stworzyły obrazy, aby ocenić wiarygodność wyników. Metody te obejmowały zarówno ustalony algorytm w radioastronomii do rekonstrukcji obrazów znany jako CLEAN, wynaleziony przez Jana Högboma, jak i samokalibrujące metody przetwarzania obrazów dla astronomii, takie jak algorytm CHIRP stworzony przez Katherine Bouman i innych. Algorytmy, które zostały ostatecznie użyte, to uregulowany algorytm maksymalnego prawdopodobieństwa (RML) i algorytm CLEAN .

W marcu 2020 roku astronomowie zaproponowali ulepszony sposób widzenia większej liczby pierścieni na pierwszym zdjęciu czarnej dziury. W marcu 2021 r. ujawniono nowe zdjęcie, na którym widać, jak czarna dziura M87 wygląda w świetle spolaryzowanym. Po raz pierwszy astronomowie byli w stanie zmierzyć polaryzację tak blisko krawędzi czarnej dziury. Linie na zdjęciu oznaczają orientację polaryzacji, która jest związana z polem magnetycznym wokół cienia czarnej dziury.

3C 279

Obraz EHT archetypowego blazara 3C 279 ukazujący relatywistyczny dżet aż do jądra AGN otaczającego supermasywną czarną dziurę.

W kwietniu 2020 r. EHT opublikował pierwsze zdjęcia o rozdzielczości 20 mikrosekund łuku archetypowego blazara 3C 279, który zaobserwował w kwietniu 2017 r. Obrazy te, wygenerowane z obserwacji przez 4 noce w kwietniu 2017 r., ujawniają jasne składniki dżetu, którego rzut na płaszczyznę obserwatora wykazują pozorne ruchy nadświetlne z prędkością do 20c. Taki pozorny nadświetlny ruch emiterów relatywistycznych, takich jak zbliżający się dżet, tłumaczy się emisją pochodzącą bliżej obserwatora (w dół strumienia wzdłuż dżetu) nadążającą za emisją pochodzącą dalej od obserwatora (u podstawy dżetu), gdy dżet rozchodzi się z prędkością bliską prędkości światła pod małymi kątami do linii wzroku.

Centaur A

Obraz Centaura A przedstawiający strumień czarnej dziury w różnych skalach

W lipcu 2021 roku opublikowano wysokiej rozdzielczości zdjęcia dżetu wytworzonego przez czarną dziurę znajdującą się w centrum Centaura A. Z masą wokół5,5 × 107 M , czarna dziura nie jest wystarczająco duża, aby obserwować swój pierścień, jak w przypadku Messiera M87*, ale jej dżet sięga nawet poza swoją galaktykę macierzystą, pozostając jednocześnie silnie skolimowaną wiązką, co stanowi punkt badań . Zaobserwowano również rozjaśnienie krawędzi dżetu, co wykluczyłoby modele przyspieszania cząstek, które nie są w stanie odtworzyć tego efektu. Obraz był 16 razy ostrzzy niż poprzednie obserwacje i wykorzystywał długość fali 1,3 mm.

Strzelec A*

Strzelec A*, czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej

12 maja 2022 roku współpraca EHT ujawniła obraz Sagittarius A*, supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki Drogi Mlecznej . Czarna dziura znajduje się 27 000 lat świetlnych od Ziemi; jest tysiące razy mniza niż M87*. Sera Markoff, współprzewodnicząca Rady Naukowej EHT, powiedziała: „Mamy dwa zupełnie różne typy galaktyk i dwie bardzo różne masy czarnych dziur, ale blisko krawędzi tych czarnych dziur wyglądają niesamowicie podobnie. To mówi nam, że generał Względność rządzi tymi obiektami z bliska, a wszelkie różnice, które widzimy z dalszej odległości, muszą wynikać z różnic w materiale otaczającym czarne dziury”.

Współpracujące instytuty

Współpraca EHT składa się z 13 instytutów interesariuszy:

Instytucje powiązane z EHT obejmują:

Bibliografia

Zewnętrzne linki