Keskiviikko 10. huhtikuuta jää historiankirjoihin tärkeänä päivämääränä tieteen maailmassa.
Tuolloin Euroopan eteäisen observatorion (ESOn) tutkijat julkistivat ensimmäisen kuvan universumin näkymättömästä supertähdestä – mustasta aukosta.
Jättiläinen – myös muiden mustien aukkojen joukossa
Kuvassa on ellipsinmuotoisen Messier 87 -galaksin (M87) keskellä oleva supermassiivinen musta aukko, joka sijaitsee 53 miljoonan valovuoden päässä Maasta.
Kyseinen musta aukko on muihin mustiin aukkoihin verrattuna jättimäinen. Sen massa on 6,5 miljardia kertaa Auringon massa, mutta silti kuva on rakeinen.
Ensinnäkin itse mustia aukkoja ei voida nähdä. Niiden massa on niin suuri, että niiden painovoimakentästä ei pääse mikään karkaamaan. Ei edes valo. Siksi tutkijat ovat keskittyneet niin kutsuttuun tapahtumahorisonttiin, joka on viimeinen raja, josta valo ja aine voivat karata.
Lisäksi musta aukko on niin kaukana meistä, että valtavasta koostaan huolimatta se ei täytä taivaalla sen suurempaa alaa kuin Kuun pinnalla oleva appelsiini.
Ensimmäinen kuva mustasta aukosta vahvisti tähtitieteilijöiden teorioita raskaiden mustien aukkojen rakenteesta.
Mustan aukon massa on keskittynyt yhteen pisteeseen.
Tapahtumahorisontti on raja, jonka jälkeen aine ja valo eivät voi enää karata mustan aukon painovoimakentästä.
Pöly- ja kaasukiekko pyörii tapahtumahorisontin ympärillä.
Varautuneet hiukkaset suihkuavat suoraan supermassiivisista mustista aukoista, kun aukko imee kaasua, pölyä ja tähtiä.
Mustat aukot piileksivät
Toinen ongelma oli se, että mustia aukkoja ympäröivät pölyt ja kaasut estävät valon ja säteilyn kulkua. Siksi tapahtumahorisonttia ei voida tarkkailla optisilla teleskoopeilla, jotka havainnoivat valoa.
Radioteleskoopit sen sijaan rekisteröivät radioaaltoja, joita musta aukko lähettää.
Mustan aukon ympärillä oleva kaasu- ja pölypilvi on niin tiheä, että vain radioaallot, joiden taajuus on noin yksi millimetri, pääsevät läpi. Toisaalta taas kun aallot saapuvat Maahan, ne imeytyvät ilmakehässä olevaan veteen.
Kahdeksan teleskooppia näkee paremmin kuin yksi
Tutkijat rakaisivat ongelman käyttämällä useaa teleskooppia. Event Horizon Telescope (EHT) koostuu kahdeksasta maailman suurimmasta radioteleskoopista, jotka yhdessä tarkkailevat mustia aukkoja.
Superteleskooppi perustuu yhteistyöhön
Kahdeksan teleskooppia toimii yhteistyössä. Se on periaatteena Event Horizon -verkostossa, jossa eri puolilla maailmaa sijaitsevat teleskoopit yhdessä tarkkailevat näkymätöntä kohdetta.
HAVAIJI
James Clerk Maxwell -teleskooppi
- Halkaisija: 15 metriä
Submillimeter Array
- Kokoelmateleskooppi: Kahdeksan koordinoitua 6-metristä teleskooppia
AMERIKAN LÄNSIRANNIKKO
Large Millimeter -teleskooppi, Meksiko
- Halkaisija: 50 metriä
Submillimeter-teleskooppi, Arizona
- Halkaisija: 10 metriä
CHILE
Atacama Large Millimeter Array (ALMA)
- Kokoelma: 54 kappaletta 12-metrisiä teleskooppeja ja 12 kappaletta 7-metrisiä teleskooppeja
Atacama Pathfinder Experiment
- Halkaisija: 12 metriä
ESPANJA
Iram 30-M -teleskooppi
- Halkaisija: 30 metriä
ANTARKTIS
South Pole -teleskooppi
- Halkaisija: 10 metriä
Teleskooppien toiminta on synkronisoitu atomikelloilla, joten ne toimivat kuin yksi iso virtuaalinen radioteleskooppi, jonka halkaisija on koko planeetan kokoinen. Event Horizon Telescope on niin tarkka, että se näkisi omenan Kuun pinnalla, ja sillä voidaan kurkistaa miljoonien valovuosien päässä sijaitsevien galaksien keskukseen.
Toisin sanoen EHT havaitsee radioaaltoja, joka ovat jo melkein näkymättömiä.
ESO on tuottanut lyhyen filmipätkän, jossa kerrotaan, miten kuva mustasta aukosta otettiin. Filmi esittelee myös kuvan ottaneet tutkijat.
Dataa lennätettiin ympäri maailman
Huhtikuussa 2017 kaikki kahdeksan teleskooppia suunnattiin kohti M87-galaksin keskusta. Teleskoopit havainnoivat kohdetta kukin omalla aallonpituudellaan.
Viikon aikana teleskoopit keräsivät viittä petatavua eli viittä miljoonaa gigatavua vastaavan määrän dataa.
Tietomäärä oli niin suuri, että havaintojen kokoaminen internetin välityksellä yhteen paikkaan olisi vienyt vuosia.
Viisi petatavua on paljon dataa. Se vastaa MP3-tiedostoja, joiden soittamiseen kuluisi 5 000 vuotta. Dan Marrone on Arizonan yliopiston astronomi. Hän oli mukana kuvan ottaneessa tutkijaryhmässä. Tässä hän selittää, miten paljon tietoa kuvaan on tarvittu.
Tiedot ladattiin kovalevyille, jotka kuljetettiin lentokoneilla datakeskuksiin. Toinen niistä on Saksassa ja toinen Yhdysvalloissa. Tämä tietenkin vei aikansa.
Yksi teleskoopeista sijaitsee Etelämantereella, jonne ei sikäläisen talven aikana voida lentää. Koska EHT oli käynnistetty antarktisen talven alussa, tutkijoiden piti odottaa puoli vuotta saadakseen tiedot Etelämantereen teleskoopista.
Supertietokoneet työstivät dataa
Saksassa ja Yhdysvalloissa tutkijat alkoivat tarkastaa teleskooppien keräämää dataa supertietokoneilla.
Työhön tarvittiin 800 tietokonetta, jotka olivat yhteydessä toisiinsa 40 gigabittiä sekunnissa välittävällä verkolla.
Valtavan työn tuloksena saatiin vihdoin aikaan rakeinen kuva, joka on tärkein tähän mennessä tähtitieteen alalla otetuista kuvista.
Einstein oli oikeassa
Yli 100 vuotta sitten fyysikko Albert Einstein esitteli yleisen suhteellisuusteoriansa.
Teoria selittää, että avaruus kaareutuu eri painoisten kappaleiden ympärillä.
Einsteinin teoria mahdollisti myös mustien aukkojen olemassaolon. Ja teorian mukaan mustilla aukoilla on tapahtumahorisontti, joka lähettää viimeisen valon. Lisäksi Einstein kirjoitti, että itse aukko on kuulan muotoinen ja että sen pinta-alan voi laskea sen massan perusteella.
Kaikki Einsteinin oletukset äärimmäisen raskaista kohteista saivat vahvistuksen, kun M87-galaksin keskuksesta otettu kuva julkaistiin.
Einstein kuitenkin myös erehtyi. Hän ei uskonut että mustia aukkoja olisi olemassa muualla kuin teoriassa, sillä hiukkasista ei tule mustaa aukkoa, koska romahtaminen pysähtyy ennen kuin ne ovat tarpeeksi raskaita.
Seuraava kohde: Linnunrata
EHT-teleskooppi on tutkinut jo muitakin kohteita kuin M87-galaksin mustaa aukkoa. Teleskoopit ovat tähynneet myös Linnunradan keskuksessa sijaitsevaa mustaa aukkoa, joten siitäkin saataneen lähiaikoina kuva.
Etäisyys Maasta Linnunradan keskuksen mustaan aukkoon on vain noin yksi kahdestuhannesosa matkasta nyt kuvattuun M87-galaksin mustaan aukkoon, mutta sen koko on toisaalta siitä vain yksi kahdestuhannesosa. Siksi oman galaksimme musta aukko vaikuttaa taivaalla yhtä pieneltä kuin M87-galaksin aukko eli kuin appelsiini Kuussa Maasta katsottuna.
Samasta syystä Linnunradan keskuksen mustasta aukosta ei juuri saada laadukkaampaa kuin nyt M87-galaksin mustasta aukosta.
