Różne

Jak zrobiono pierwsze zdjęcie czarnej dziury?

Jak zrobiono pierwsze zdjęcie czarnej dziury?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

W środę, 10 kwietnia, świat został potraktowany czymś bezprecedensowym - pierwszym w historii obrazem czarnej dziury! W szczególności zdjęcie uchwyciło supermasywną czarną dziurę (SMBH) w centrum M87 (znanej również jako Panna A), eliptycznej galaktyki nadolbrzyma w konstelacji Panny.

Już teraz to zdjęcie jest porównywane do zdjęć takich jak „bladoniebieska kropka” zrobiona przez Voyager 1 misja lub zdjęcie „Wschód Ziemi” wykonane przez Apollo 8. Podobnie jak te zdjęcia, zdjęcie czarnej dziury M87 poruszyło wyobraźnię ludzi na całym świecie.

Osiągnięcie to było wynikiem wielu lat ciężkiej pracy astronomów, obserwatoriów i instytucji naukowych z całego świata. Podobnie jak w przypadku większości dokonań tego kalibru, niezliczone osoby odegrały rolę i zasługują na uznanie za urzeczywistnienie tego.

Ale jak zawsze było kilka osób, których wkład naprawdę się wyróżniał. Ponadto uchwycenie pierwszego w historii obrazu czarnej dziury wymagało zastosowania wielu specjalistycznych technologii i metod naukowych, które również zasługują na uwagę. Można powiedzieć, że jego historyczne osiągnięcie miało historyczny wzrost!

Ci, którym się to udało:

Odkąd w ramach projektu EHT opublikowano pierwsze zdjęcie czarnej dziury, Katherine Bouman stała się powszechnie znaną marką. Ale kim jest ten łowca czarnych dziur, którego praca pomogła nam spojrzeć w twarz jednego z najbardziej tajemniczych zjawisk we Wszechświecie?

ZWIĄZANE Z: KATIE BOUMAN: WSPANIAŁY UMYSŁ, KTÓRY PRZYNOSIŁ NAM OBRAZ CZARNEJ DZIURY

Bouman uzyskała stopień doktora. Elektrotechnika i informatyka w Massachusetts Institute of Technology (MIT) w 2017 roku. Od tego czasu Bouman pracowała jako badacz podoktorancki w projekcie Event Horizon Telescope, gdzie zastosowała nowe metody obliczeniowe, aby przesunąć granice technologii obrazowania.

Jednym z jej wkładów jest opracowanie algorytmu, który odegrał kluczową rolę w uzyskaniu obrazu, znanego jako ciągła rekonstrukcja obrazu o wysokiej rozdzielczości przy użyciu patch priors (CHIRP). Chociaż sam CHIRP nie został użyty, zainspirował on zastosowane procedury walidacji obrazu, w których opracowaniu Bouman również odegrał znaczącą rolę.

ZWIĄZANE Z: OBRAZ CZARNEJ DZIURY ODKRYTEJ PO RAZ PIERWSZY

Oprócz weryfikacji i wyboru parametrów filtrowania obrazów wykonanych przez EHT, pomogła także w opracowaniu struktury obrazowania, która porównywała wyniki różnych technik rekonstrukcji obrazu. Po opublikowaniu obrazu czarnej dziury zdjęcie Boumana uśmiechniętego przed ekranem komputera zaczęło rozprzestrzeniać się w Internecie.

Po ogłoszeniu, Bouman zamieścił jej zdjęcie wraz z zespołem badawczym (pokazane powyżej) z podpisem:

„Jestem tak podekscytowany, że w końcu możemy podzielić się tym, nad czym pracowaliśmy przez ostatni rok! Pokazany dziś obraz jest połączeniem obrazów utworzonych wieloma metodami. Żaden algorytm ani osoba nie stworzył tego obrazu, wymagało to niesamowitego talent zespołu naukowców z całego świata i lata ciężkiej pracy nad opracowaniem instrumentu, przetwarzania danych, metod obrazowania i technik analizy niezbędnych do wykonania tego pozornie niemożliwego wyczynu. To był prawdziwy zaszczyt i jestem tak szczęśliwy, że mogłem z wami wszystkimi pracować ”.

Bouman i jej grupa analizują obecnie obrazy z Event Horizon Telescope, aby dowiedzieć się więcej o ogólnej teorii względności w silnym polu grawitacyjnym. Za swoją wybitną pracę Bouman została również niedawno adiunktem na wydziale Informatyki i Nauk Matematycznych (CMS) Caltech.

Wraz z Caltech Bouman będzie pracował nad stworzeniem laboratorium do eksperymentowania z obrazowaniem obliczeniowym i algorytmami uczenia maszynowego. Będzie to pierwsze tego rodzaju laboratorium i oczekuje się, że będzie miało znaczący wpływ na badanie osobliwości grawitacyjnych i innych ekstremalnych zjawisk.

Jest też Sheperd Doeleman, starszy pracownik naukowy w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), zastępca dyrektora ds. Obserwacji w Harvard's Black Hole Initiative oraz dyrektor EHT. Jest także głównym naukowcem w MIT i zastępcą dyrektora MIT Haystack Observatory - jednego z ośmiu, które uczestniczyły w EHT.

To właśnie podczas jego pobytu w Haystack Observatory MIT Doeleman stał się jedną z pierwszych osób, które zobaczyły pierwsze ślady czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. A to z powodu analiz, które przeprowadził, aby nadać sens danym, które go ujawniły.

„To był moment, w którym była jedna osoba - ja - na świecie, która wiedziała, co się właśnie wydarzyło” - powiedział. „To było całkiem niesamowite. Ponieważ gdy tylko dowiedzieliśmy się, że coś tam jest, rękawiczki odpadły i byliśmy gotowi do zbudowania tablicy wielkości Ziemi, aby to zobrazować”.

Jednak w maju 2018 roku jego zespół dokonał tego, co wielu uważało za niemożliwe. Zaczęło się od konferencji w BHI, podczas której studenci i doktoranci podzielili się niektórymi uzyskanymi danymi z Doeleman. Jak opisał moment odkrycia:

„Mogliśmy zobaczyć charakterystyczne podpisy w tych danych ... i wszyscy tylko patrzyliśmy na to, mówiąc:„ Wow ”. Pracowałem do późna w nocy nad modelem tego, jak duże było to, co widzieliśmy, i to jest kiedy wiedziałem, że mamy coś bardzo, bardzo interesującego ”.

Oprócz swojego rozległego doświadczenia w badaniu zjawisk astrofizycznych, Doeleman wniósł również swoją wiedzę z zakresu interferometrii o bardzo długiej linii podstawowej (VLBI). Ten proces, w którym talerze radiowe oddzielone dużymi odległościami są łączone w celu utworzenia wirtualnego zestawu teleskopów, był kluczowy dla wysiłków EHT.

Wraz ze swoją grupą na MIT, Doeleman pomógł opracować oprzyrządowanie, które pozwoliło astronomom osiągnąć największą możliwą rozdzielczość z VLBI w obserwatoriach na Ziemi. W przeszłości on i jego zespół używali tej techniki do badania nowo narodzonych gwiazd i atmosfery umierających gwiazd.

Ale dzięki możliwościom obrazowania EHT, techniki, które pomógł pionierowi, można teraz wykorzystać do zbadania, jak grawitacja i ogólna teoria względności działają w najbardziej ekstremalnych warunkach. To skutecznie otwiera nowe drzwi do zrozumienia, jak działa nasz Wszechświat.

„To spełnia nasze marzenie o zrobieniu pierwszego zdjęcia czarnej dziury”, powiedział Doeleman. „Mamy teraz dostęp do kosmicznego laboratorium ekstremalnej grawitacji, w którym możemy przetestować teorię ogólnej teorii względności Einsteina i zakwestionować nasze podstawowe założenia dotyczące przestrzeni i czasu. ”

Dzięki roli, jaką odegrał w koordynowaniu projektu, Doeleman prowadzi obecnie projekt EHT. Poza Bouman i Doeleman niezliczeni naukowcy i inżynierowie odegrali istotną rolę w urzeczywistnieniu tego kamienia milowego. Ponadto zaangażowanych było kilka kluczowych obiektów i procesów.

Jak zdjęcie zostało zrobione:

Teleskop Event Horizon Telescope (EHT) jest zasadniczo radioteleskopem wielkości planety, składającym się z obserwatoriów z całego świata. Obecnie EHT składa się z ośmiu lokalizacji, w tym:

  • James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) w Mauna Kea Observatory (CSO) na Hawajach
  • Duży teleskop milimetrowy Alfonso Serrano (LMT) na Volcán Sierra Negra, niedaleko Veracruz w Meksyku
  • Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy (CARMA) we wschodniej Kalifornii
  • Dwa radioteleskopy Kitt Peak National Observatory (KPNO), położone na południe od Tucson w Arizonie
  • Submilimetrowy Teleskop Obserwatorium Radiowego Arizony (ARO) (SMT) w południowej Arizonie
  • Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w północnym Chile
  • 30-metrowy teleskop w południowej Hiszpanii, obsługiwany przez Instytut Milimetrowej Radioastronomii (IRAM)
  • Teleskop bieguna południowego (SPT) w Stacja Amundsen – Scott South Pole

Łącząc anteny radiowe i dane z kilku stacji interferometrycznych o bardzo długiej linii bazowej (VLBI), EHT jest w stanie osiągnąć poziom rozdzielczości, który umożliwia naukowcom oglądanie środowiska pośredniego wokół czarnych dziur (czyli horyzontu zdarzeń).

Nie było to łatwe zadanie, biorąc pod uwagę ekstremalny charakter czarnych dziur. Pierwotnie przewidywane przez teorię ogólnej teorii względności Einsteina (GR), czarne dziury są zasadniczo tym, co staje się ze szczególnie masywnymi gwiazdami, gdy osiągną koniec swojego życia.

W tym momencie, gdy gwiazda wyczerpała ostatnie paliwo wodorowe i helowe, ulega zapadaniu grawitacyjnemu. Prowadzi to do potężnej eksplozji znanej jako supernowa, w której gwiazda zdmuchuje swoje zewnętrzne warstwy. W zależności od masy gwiazdy, wynikiem będzie pozostałość gwiazdy (tj. Gwiazda neutronowa lub „biały karzeł”) lub czarna dziura.

W rzeczywistości termin „czarna dziura” jest nieco mylący, ponieważ w rzeczywistości są to niezwykle skompresowane obiekty, które zawierają niezwykłą ilość materii w małym obszarze. Ze względu na swoją zwartą naturę wywierają niezwykle potężną siłę grawitacji, z której nic - nawet światło - nie może uciec.

Z tego powodu naukowcy byli w stanie wywnioskować o istnieniu czarnych dziur jedynie na podstawie ich wpływu na otoczenie. Obejmują one sposób, w jaki wypaczają czasoprzestrzeń, powodując, że otaczające je obiekty wpadają w ekscentryczne orbity, oraz sposób, w jaki powodują, że materiał wpada do otaczającego je dysku, który jest podgrzewany do setek miliardów stopni.

Jak podsumował Ramesh Narayan, profesor Uniwersytetu Harvarda i lider w pracy nad teorią EHT:

„Przez dziesięciolecia badaliśmy, jak czarne dziury połykają materię i zasilają serca galaktyk. W końcu zobaczyć czarną dziurę w akcji, zginającą pobliskie światło w jasny pierścień, jest zapierającym dech w piersiach potwierdzeniem, że supermasywne czarne dziury istnieją i pasują do wyglądu, jakiego oczekujemy od naszych symulacji ”.

Celem projektu były dwie czarne dziury o największej widocznej wielkości kątowej widzianej z Ziemi. Są to SMBH położone w centrum Drogi Mlecznej (Strzelec A *) i SMBH w centrum galaktyki znanej jako M87 (Panna A).

Aby uchwycić obraz tych SMBH, astronomowie potrzebowali teleskopu o bezprecedensowej rozdzielczości. W tym miejscu pojawił się ELT. Jonathan Weintroub, który koordynuje grupę rozwoju instrumentów EHT, wyjaśnił:

„Rozdzielczość EHT zależy od odległości między teleskopami, zwanej linią podstawową, a także od obserwowanych krótkich milimetrowych fal radiowych. Najlepsza rozdzielczość w EHT pochodzi z najdłuższej linii bazowej, która w przypadku M87 rozciąga się od Hawajów do Hiszpanii. Aby zoptymalizować czułość długiej linii bazowej, umożliwiając wykrywanie, opracowaliśmy wyspecjalizowany system, który sumuje sygnały ze wszystkich dostępnych płytek SMA na Maunakea. W tym trybie SMA działa jako pojedyncza stacja EHT. ”

Poprzez swoje osiem obserwatoriów EHT zarejestrowało miliony gigabajtów danych z tych dwóch czarnych dziur. W sumie każdy teleskop pobierał około jednego petabajta (1 milion gigabajtów) danych i zapisywał je na kilku jednostkach Mark6 - rejestratorach danych, które zostały pierwotnie opracowane w Obserwatorium Haystack.

Po zakończeniu obserwacji naukowcy z każdej stacji zapakowali stos dysków twardych, które następnie przewieziono do obserwatorium MIT Haystack Observatory w Massachusetts w USA oraz do Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn w Niemczech.

Tam dane zostały skorelowane i przeanalizowane przez 800 komputerów połączonych siecią 40 Gbit / s. Przekształcenie tych danych w obraz wymagało jednak opracowania nowych metod i procedur.

Obejmowało to porównanie obrazów czterech niezależnych grup naukowców przy użyciu trzech różnych metod obrazowania - które zostały zaprojektowane i prowadzone przez Katie Bouman. W nadchodzących latach EHT planuje poprawić rozdzielczość kątową projektu poprzez dodanie dwóch kolejnych macierzy i prowadzenie obserwacji na krótszych falach.

Należą do nich Teleskop Grenlandii, który jest obsługiwany wspólnie przez Smithsonian Astrophysical Observatory oraz Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics; oraz Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) IRAM w południowej Francji.

Dlaczego wygląda jak „pierścień ognia”:

Oprócz istnienia czarnych dziur, Teoria Względności Einsteina przewidywała, że ​​czarna dziura rzucałaby okrągły cień na świecący dysk materii, który ją otacza. Zasadniczo obszar w horyzoncie zdarzeń czarnych dziur wyglądałby jak całkowita czerń, w jaskrawym kontraście z bardzo jasnym dyskiem za nim.

Przewodniczący Rady Naukowej EHT, Heino Falcke z Radboud University w Holandii, wyjaśnił to wszystko w następujący sposób:

"Jeśli zanurzymy się w jasnym regionie, takim jak dysk świecącego gazu, spodziewamy się, że czarna dziura utworzy ciemny obszar podobny do cienia - coś przewidzianego przez ogólną teorię względności Einsteina, czego nigdy wcześniej nie widzieliśmy. Ten cień, spowodowany przez grawitacyjne zginanie i wychwytywanie światła przez horyzont zdarzeń ujawnia wiele o naturze tych fascynujących obiektów i pozwoliło nam zmierzyć ogromną masę czarnej dziury M87. "

Co ciekawe, ten wygląd został również dokładnie przewidziany przez zespół efektów specjalnych odpowiedzialny za film Interstellar. Aby dodać realizmu filmowi, fizyk teoretyczny i laureat Nagrody Nobla, Kip Thorne, opracował nowy zestaw równań, aby kierować oprogramowaniem renderującym zespołu ds. Efektów specjalnych.

Aby to zrobić, Thorne oparł się na znanych zasadach naukowych. Obejmowały one fakt, że czarna dziura powstała z masywnej pozostałości gwiezdnej, co oznaczałoby, że wiruje z prędkością bliską prędkości światła. Oznaczałoby to również, że czarna dziura miałaby jasny dysk akrecyjny, który wydawałby się zakrzywiać jednocześnie na górze i na dole.

POWIĄZANE: „MIĘDZYGWIAZDOWY” WKŁAD KIP THORNE

Aby zasymulować dysk akrecyjny, zespół efektów specjalnych wygenerował płaski, wielokolorowy pierścień i umieścił go wokół wirującej czarnej dziury. Końcowy wynik pokazał, że wypaczający wpływ, jaki wywarł na czasoprzestrzeń, wypaczy również dysk akrecyjny - tworząc iluzję aureoli.

Porównując obraz SMBH M87 z renderowaniem z Interstellar (patrz poniżej), można dostrzec pewne zaskakujące podobieństwa. Należą do nich centralne, zacienione regiony i otaczające je jasne dyski akrecyjne, które nadają im rodzaj „pierścienia ognia” lub „oka Saurona”.

Implikacje dla astrofizyki:

Jak wielu astronomów wyjaśniło od czasu publikacji obrazu, możliwość fotografowania czarnej dziury otwiera nową erę w astrofizyce. Podobnie jak pierwsze w historii wykrycie fal grawitacyjnych, osiągnięcie to skutecznie pozwala naukowcom wykrywać i wizualizować zjawiska, które były albo teoretyczne, albo mogły być badane tylko pośrednio.

Obejmują one bardziej radykalne testy ogólnej teorii względności Einsteina. Podczas gdy w ciągu ostatniego stulecia przeprowadzono wiele testów, aby zweryfikować wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń, zdecydowana większość z nich dotyczyła obiektów o rozmiarach planet lub gwiazd.

Dzięki możliwości wizualizacji SMBH naukowcy będą mogli przetestować przewidywania równań pola Einsteina w najbardziej ekstremalnym możliwym środowisku. W przeszłości przeprowadzono ograniczone testy, obserwując zachowanie S2, jednej z gwiazd krążących wokół Strzelca A * w centrum naszej galaktyki.

Jednak dzięki możliwości wizualizacji dysku akrecyjnego i cienia Strzelca A * astronomowie spodziewają się, że będą mogli dowiedzieć się o wiele więcej. Naukowcy spodziewają się również dowiedzieć się więcej o tym, jak materia tworzy dyski wokół czarnych dziur i odkłada się na nich, co pozwala im rosnąć.

Krótko mówiąc, naukowcy wciąż nie są pewni, w jaki sposób materiał przechodzi z szybko wirującego dysku do horyzontu zdarzeń. Chociaż wiadomo, że z biegiem czasu materia w dysku straci energię i ostatecznie zapadnie się, naukowcy nie są pewni, co powoduje tę utratę energii.

Ponieważ materia w dysku jest tak rozrzedzona, tradycyjne tarcie nie powinno być możliwe, co sugeruje, że w grę może wchodzić jakaś nieznana siła. Dzięki możliwości badania dwóch SMBH i ich horyzontów zdarzeń, naukowcy będą wreszcie mogli testować różne teorie.

Ponadto naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się, dlaczego Sagittarius A * jest stosunkowo słaby w porównaniu z SMBH w innych galaktykach. W rzeczywistości niektóre SMBH wytwarzają tak dużo energii ze swoich szybko wirujących dysków, że ich centralny obszar (ich jądra galaktyczne) wielokrotnie przyćmiewa gwiazdy w ich galaktycznych dyskach.

W rzeczywistości obecność aktywnego jądra galaktycznego (AGN) jest sposobem, w jaki astronomowie byli w stanie określić, że większość galaktyk ma SMBH w swoim centrum. Dzięki lepszemu zrozumieniu mechanizmów, które napędzają dyski szczątków i powodują wzrost SMBH, astronomowie mają nadzieję, że w końcu będą w stanie odpowiedzieć na to pytanie.

****

Podsumowując, około 200 astronomów z całego świata odegrało kluczową rolę w uchwyceniu pierwszego obrazu czarnej dziury. Bouman opisał zespół EHT jako „tygiel astronomów, fizyków, matematyków i inżynierów, i właśnie tego trzeba było, aby osiągnąć coś, co kiedyś wydawało się niemożliwe”.

Wraz z dodaniem dodatkowych obiektów do sieci EHT - nie wspominając o regularnych ulepszeniach w zakresie obliczeń, obrazowania i wymiany informacji - naukowcy spodziewali się, że wkrótce będą mogli zobaczyć więcej czarnych dziur. Wgląd, jaki pozwoli to na nasz Wszechświat, z pewnością będzie oszałamiający!

  • Teleskop Event Horizon
  • Nauka NASA - Czarne dziury
  • The Harvard Gazette - Black Hole Revealed
  • NSF - Astronomowie wykonują pierwsze zdjęcie czarnej dziury
  • The Astrophysical Journal - Pierwsze wyniki teleskopu M87 Event Horizon
  • Atlantyk - ukryta wysyłka i obsługa za tym czarnym obrazem
  • Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - CFA odgrywa główną rolę w uchwyceniu charakterystycznego obrazu czarnej dziury
  • Wiadomości MIT - Pracując razem jako „wirtualny teleskop”, obserwatoria na całym świecie tworzą pierwsze bezpośrednie obrazy czarnej dziury


Obejrzyj wideo: PIERWSZE ZDJĘCIE CZARNEJ DZURY!! NAUKOWCY NIE MÓWIĄ NAM CAŁEJ PRAWDY!? Mondar X (Lipiec 2022).


Uwagi:

  1. Yozshuktilar

    Luźny motyw

  2. Erin

    To zabawne ogłoszenie

  3. Tolabar

    Celnie w cel :)

  4. Teyrnon

    Nie masz racji. Jestem pewien. Omów to. Napisz do mnie w PM.

  5. Carlson

    Popełniasz błąd. Mogę bronić pozycji. Napisz do mnie w PM, omówimy.



Napisać wiadomość