Hvernig fóru vísindamenn að því að taka mynd af svartholi?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn = 1 1

Svar

Hvernig fóru vísindamenn að því að taka mynd af svartholi?
Þann 10. apríl 2019 birtu vísindamenn fyrstu myndina af svartholi, nánar tiltekið af skugga risasvartholsins í miðju vetrarbrautarinnar M87. Svartholið er í um 53 milljón ljósára fjarlægð og frá okkur séð er það því jafnlítið og appelsína á yfirborði tunglsins! Myndin sem náðist af svartholinu setti þar með heimsmet í háskerpu. Til er einföld jafna sem segir til um hversu stóran sjónauka þarf til að ná tiltekinni skerpu:

$$\text{Stærð sjónauka} = \frac{\text{Bylgjulengd ljóssins}}{\text{Sýndarstærð svarthols}}$$

Ef við setjum inn 1,3 millimetra bylgjulengd útvarpsbylgnanna sem stjörnufræðingarnir notuðust við, þá fæst að stærð sjónaukans sem þarf til verksins er um það bil 13.000 kílómetrar sem er sambærilegt þvermáli jarðar. Því miður eru ekki til svo stórir sjónaukar en vísindamenn beittu þekktri aðferð í útvarpsstjörnufræði á mun stærri skala en áður hafði verið gert. Þeir samtengdu marga útvarpssjónauka vítt og breitt um jörðina til að líkja eftir risasjónauka. Til að skýra þetta er best að ímynda sér diskókúlu þar sem hver einn og einasti yfirborðsflötur kúlunnar hefur spegil. Ef yfirborð jarðar væri þakið útvarpssjónaukum værum við með sjónauka sem væri nægilega stór til að greina svartholið. En í raunveruleikanum höfum við aðeins sjónauka á nokkrum afmörkuðum stöðum á jörðinni.

Við erum hins vegar heppin því þegar jörðin snýst frá svartholinu séð, þá fylla þessi örfáu speglar smátt og smátt upp í diskókúluna á meðan þeir safna gögnum. Myndin af svartholinu í M87 er byggð á gögnum sem átta sjónaukar söfnuðu í þrjá sólarhringa (það þurfti því að vera heiðskýrt á mörgum stöðum á jörðinni samtímis). Afstaða sjónaukanna breytist einnig því jörðin er kúla. Þegar sjónaukarnir fara út á jaðar kúlunnar þá breytist afstaða þeirra með tilliti til hvers annars þannig að ef horft væri á jörðina sem skífu frá svartholinu séð þá er ofanvarpsfjarlægð milli sjónaukanna breytileg. Allt þetta leyfir okkur að fylla betur í diskókúluna og líkja eftir sjónauka á stærð við jörðina. Á einhverju stigi er svo komið nægilega mikið af upplýsingum svo hægt er að nota stærðfræðileg hjálpartæki eins og Fourier-greiningu og líkindafræði til að fylla upp í og móta þannig hina raunverulegu mynd.

Til að sjónaukarnir vinni saman sem einn þarf að samstilla þá með tilliti til afstöðu þeirra. Ljósmerkin sem berast frá nágrenni svartholsins berast á mismunandi tíma til allra sjónaukanna og þessi tímamismunur leyfir okkur að staðsetja uppruna merkisins á himninum með nákvæmum hætti. Sjónaukarnir notast við hárnákvæmar samstilltar atómklukkur sem tímasetja allt gagnastreymið svo hægt sé að máta gögnin frá sérhverjum sjónauka eftir á. Meðfram þessu setti vísindafólkið einnig heimsmet í skrifhraða á harða diska en hver sjónauki safnar 8 gígabætum af gögnum á sekúndu. Samtals er myndin af svartholinu byggð á 5 petabætum (5 milljón gígabætum) af gögnum. Netþjónar ráða alls ekki við slíka gagnaflutninga svo þess í stað ferðuðust gögnin á hörðum diskum með flugvél.

Myndin af svartholinu er ekki bara vísindalegt þrekvirki heldur einnig minnisvarði um sammvinnugetu manna og þjóða.

Myndir:

• Wikipedia. Event Horizon Telecope. Birt undir leyfinu CC BY 4.0. (Sótt 8.8.2019).
• ALMA Observatory. Astronomers Capture First Image of a Black Hole. (Sótt 8.8.2019).

...