Najpotężniejszy teleskop na Ziemi rejestruje obrazy czarnych dziur z niespotykaną dotąd szczegółowością

Teleskop Event Horizon był w stanie uzyskać bezprecedensowe obserwacje z Ziemi w wysokiej rozdzielczości przy użyciu częstotliwości 345 GHz, zapewniając bardziej szczegółowe i kolorowe obrazy czarnych dziur.

Ten postęp w astrofizyce wykorzystuje bardzo długie podstawowe zakłócenia do łączenia wielu anten radiowych na całym świecie, poszerzając naszą wiedzę na temat zjawisk otaczających czarne dziury i torując drogę dla przyszłych wizualizacji w wysokiej rozdzielczości oraz potencjalnego obrazowania w czasie rzeczywistym tych kosmicznych bytów.

Przełom w obrazowaniu czarnych dziur

W ramach projektu Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) udało się przeprowadzić obserwacje testowe, które osiągnęły najwyższą rozdzielczość, jaką kiedykolwiek uzyskano z powierzchni Ziemi, poprzez wykrycie światła pochodzącego z centrów odległych galaktyk o częstotliwości około 345 gigaherców.

W połączeniu z istniejącymi obrazami masywnych czarnych dziur w jądrze M87 i Sgr A wykonanymi przy niskiej częstotliwości 230 GHz, te nowe wyniki dają nam więcej niż tylko badanie tego zjawiska. Czarna dziura Obrazy są o 50% ostrzejsze, ale dają także wielobarwne widoki obszaru tuż za granicami tych kosmicznych potworów.

Udoskonalenia w radioastronomii

Nowe odkrycia pod kierunkiem naukowców z Centrum Astrofizyki | Harvardu i Smithsonian (CFA), w tym Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), opublikowane dzisiaj w Magazyn astronomiczny.

„Korzystając z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń, zobaczyliśmy pierwsze obrazy czarnych dziur po wykryciu fal radiowych na częstotliwości 230 GHz” – powiedział współautor Alexander Raymond, który był doktorantem w Harvard Fine Arts Center, a obecnie pracuje w Harvard Fine Arts Centrum. „Ale jasny pierścień, który widzieliśmy, powstały w wyniku zakrzywienia światła w grawitacji czarnej dziury, nadal wydawał się niewyraźny, ponieważ osiągnęliśmy absolutną granicę ostrości, jaką mogliśmy wykonać”. NASALaboratorium Napędów Odrzutowych NASALaboratorium Napędów Odrzutowych„Przy 345 GHz nasze obrazy będą ostrzejsze i bardziej szczegółowe, co ujawni nowe właściwości, zarówno te, które wcześniej przewidywano, jak i być może takie, których nie przewidywano”.

Wirtualny teleskop wielkości Ziemi: uwalnianie mocy EHT

EHT tworzy wirtualny teleskop wielkości Ziemi, łącząc wiele anten radiowych na całym świecie, stosując technikę zwaną interferometrią bardzo długiej linii bazowej (VLBI). Aby uzyskać obrazy o wyższej rozdzielczości, astronomowie mają dwie możliwości: zwiększyć odległość między antenami radiowymi lub prowadzić obserwację na wyższej częstotliwości. Ponieważ EHT był już wielkości naszej planety, zwiększenie rozdzielczości obserwacji naziemnych wymagało rozszerzenia jego zakresu częstotliwości i właśnie tego dokonała obecnie współpraca EHT.

„Aby zrozumieć, dlaczego jest to tak znaczący przełom, pomyślmy o ogromnej eksplozji dodatkowych szczegółów, jaką można uzyskać, przechodząc od obrazów czarno-białych do kolorowych” – powiedział współautor badania Shepard „Shep” Doleman, astrofizyk z Instytutu Centrum Sztuk Pięknych w Cambridge i Sotheby’s Observatory oraz założyciel i dyrektor Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. „Ta nowa„ wizja kolorów ”pozwala nam oddzielić wpływ grawitacji Einsteina od gorącego gazu i pól magnetycznych, które zasilają czarne dziury i wystrzeliwują potężne dżety przepływające przez odległości galaktyczne”.

Pryzmat dzieli białe światło na tęczę kolorów, ponieważ światło o różnych długościach fal przemieszcza się przez szkło z różnymi prędkościami. Jednak grawitacja zagina całe światło w podobny sposób, więc Einstein spodziewa się, że rozmiary pierścieni widzianych przez EHT będą podobne zarówno przy 230 GHz, jak i 345 GHz, podczas gdy gorący gaz krążący wokół czarnych dziur będzie wyglądał inaczej na tych dwóch częstotliwościach.

Pokonywanie wyzwań technologicznych w VLBI o wysokiej częstotliwości

Po raz pierwszy technologia VLBI została z sukcesem zastosowana w paśmie 345 GHz. Chociaż możliwość obserwacji nocnego nieba za pomocą pojedynczych teleskopów na częstotliwości 345 GHz istniała już wcześniej, wykorzystanie technologii VLBI na tej częstotliwości od dawna stwarzało wyzwania, których pokonanie wymagało czasu i postępu technologicznego. Para wodna w atmosferze pochłania fale o częstotliwości 345 GHz znacznie bardziej niż 230 GHz, osłabiając sygnały z czarnych dziur przy wyższych częstotliwościach. Kluczem była poprawa czułości EHT, czego naukowcy dokonali poprzez zwiększenie szerokości pasma instrumentów i oczekiwanie na dobrą pogodę we wszystkich lokalizacjach.

Globalna współpraca i najnowocześniejsza technologia

W nowym eksperymencie wykorzystano dwie małe podzespoły EHT – składające się z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) Atacama Pathfinder Experiment (APEX) w Chile, 30-metrowy teleskop IRAM w Hiszpanii, Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) we Francji, Submillimeter Array (SMA) na Mauna Kea na Hawajach oraz Teleskop Grenlandzki – do pomiarów z dokładnością do 19 mikrosekund Arc.

„Najpotężniejsze miejsca obserwacyjne na Ziemi znajdują się na dużych wysokościach, gdzie przejrzystość i stabilność atmosfery są idealne, ale pogoda może być jeszcze bardziej dramatyczna” – powiedział Nimesh Patel, astrofizyk w CfA i SAO oraz inżynier projektu w SMA, dodając że na SMA nowe obserwacje wymagały, aby Challenge the Icy Roads of Mauna Kea otworzył plan zdjęciowy przy stabilnej pogodzie po burzy śnieżnej z dodatkowymi minutami. „Teraz, dzięki systemom o większej przepustowości, które przetwarzają i wychwytują szersze obszary widma radiowego, zaczynamy przezwyciężać podstawowe problemy z czułością, takie jak pogoda. Jak pokazują nowe odkrycia, nadszedł właściwy czas, aby przejść do 345 GHz”.

Przyszłość obrazowania czarnych dziur: projekt ngEHT

To osiągnięcie stanowi także kolejny kamień węgielny na drodze do tworzenia filmów o wysokiej rozdzielczości przedstawiających środowiska horyzontu zdarzeń otaczających czarne dziury, które będą opierać się na ulepszeniach istniejącej macierzy globalnej. Planowany projekt EHT nowej generacji (ngEHT) spowoduje dodanie nowych anten do EHT w ulepszonych lokalizacjach geograficznych i ulepszenie istniejących stacji poprzez modernizację ich wszystkich w celu jednoczesnej pracy na wielu częstotliwościach od 100 GHz do 345 GHz. Oczekuje się, że w wyniku tych i innych ulepszeń system Global Array 10-krotnie zwiększy ilość ostrych i wyraźnych danych, którymi dysponuje EHT do obrazowania, umożliwiając naukowcom nie tylko tworzenie bardziej szczegółowych i czułych obrazów, ale także filmów z nimi brutalne kosmiczne bestie.

Duże osiągnięcie w dziedzinie badań w astrofizyce

„Sukces obserwacji EHT na częstotliwości 345 GHz stanowi główne osiągnięcie naukowe” – powiedziała Lisa Kewley, dyrektor Obserwatorium CfA i SAO „Przesuwając granice rozdzielczości do granic możliwości, osiągamy niespotykaną dotąd klarowność obrazowania czerni dziur, które wówczas obiecaliśmy.” „Wcześnie i wyznaczamy nowe, wyższe standardy możliwości badań astrofizycznych na Ziemi”.

Aby dowiedzieć się więcej o tym odkryciu, zobacz Czarne dziury obserwowane przy użyciu wysokich częstotliwości, których nigdy wcześniej nie widziano.

Odniesienie: „Pierwsze odkrycia bardzo długiej interferencji linii bazowej przy 870 µm” autorstwa A.W. Raymonda i S. Doeleman i wsp., 27 sierpnia 2024 r., Magazyn astronomiczny.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad5bdb