De krachtigste telescoop op aarde legt beelden van zwarte gaten vast met ongekende details

De Event Horizon Telescope was in staat om ongekende waarnemingen met hoge resolutie vanaf de aarde te bereiken met behulp van de 345 GHz-frequentie, wat gedetailleerdere en kleurrijkere beelden van zwarte gaten opleverde.

Deze vooruitgang in de astrofysica maakt gebruik van zeer langdurige fundamentele interferentie om meerdere radioschotels wereldwijd met elkaar te verbinden, waardoor ons begrip van de verschijnselen rondom zwarte gaten wordt vergroot en de weg wordt vrijgemaakt voor toekomstige visualisaties met hoge resolutie en potentiële real-time beeldvorming van deze kosmische entiteiten.

Een doorbraak in het in beeld brengen van zwarte gaten

Het Event Horizon Telescope (EHT)-project is erin geslaagd testwaarnemingen uit te voeren die de hoogste resolutie bereikten die ooit op het aardoppervlak is verkregen, door licht te detecteren dat uit de centra van verre sterrenstelsels komt met een frequentie van ongeveer 345 gigahertz.

Gecombineerd met bestaande beelden van de massieve zwarte gaten in de kern van M87 en Sgr A op de lage frequentie van 230 GHz, laten deze nieuwe resultaten ons meer achter dan alleen een studie van dit fenomeen. Zwart gat De beelden zijn 50% scherper, maar leveren ook veelkleurige beelden op van het gebied net buiten de grenzen van deze kosmische monsters.

Verbeteringen in de radioastronomie

De nieuwe ontdekkingen onder leiding van wetenschappers van het Centrum voor Astrofysica | Harvard en Smithsonian (CFA) waaronder het Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), vandaag gepubliceerd in Astronomisch tijdschrift.

“Met behulp van EHT zagen we de eerste beelden van zwarte gaten door radiogolven op 230 GHz te detecteren, maar de heldere ring die we zagen, gevormd door de afbuiging van licht in de zwaartekracht van het zwarte gat, zag er nog steeds wazig uit omdat we ons aan de absolute grenzen van de zwaartekracht bevonden. hoe scherp de beelden waren die we konden maken”, zei co-auteur Alexander Raymond, voorheen postdoctoraal onderzoeker bij CfA, nu aan Harvard. NASAHet Jet Propulsion Laboratory van NASALaboratorium voor straalaandrijving“Op 345 GHz zullen onze beelden scherper en gedetailleerder zijn, wat nieuwe eigenschappen zal onthullen, zowel eigenschappen die eerder werden voorspeld als misschien enkele die niet waren voorspeld.”

Een virtuele telescoop ter grootte van de aarde: ontketen de kracht van de EHT

De EHT creëert een virtuele telescoop ter grootte van de aarde door meerdere radioschotels over de hele wereld met elkaar te verbinden, met behulp van een techniek die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) wordt genoemd. Om beelden met een hogere resolutie te verkrijgen hebben astronomen twee opties: de afstand tussen de radioschotels vergroten of op een hogere frequentie waarnemen. Omdat de EHT al zo groot was als onze planeet, vereiste het vergroten van de resolutie van waarnemingen op de grond een uitbreiding van het frequentiebereik, en dat is wat de EHT-samenwerking nu heeft gedaan.

“Om te begrijpen waarom dit een grote doorbraak is, moet je eens nadenken over de enorme explosie aan extra details die je krijgt als je van zwart-witafbeeldingen naar kleurenafbeeldingen gaat”, zegt co-onderzoeksauteur Shepard “Shep” Doleman, een astrofysicus aan het Cambridge Fine Arts Center. Sotheby’s Observatory, en oprichter en directeur van de Event Horizon Telescope. “Deze nieuwe ‘kleurenvisie’ stelt ons in staat de effecten van Einsteins zwaartekracht te scheiden van de hete gas- en magnetische velden die zwarte gaten van brandstof voorzien en krachtige jets lanceren die over galactische afstanden stromen.”

Een prisma verdeelt wit licht in een regenboog van kleuren, omdat het licht van verschillende golflengten met verschillende snelheden door het glas reist. Maar de zwaartekracht buigt al het licht op dezelfde manier af, dus verwacht Einstein dat de grootte van de ringen die door de EHT worden gezien vergelijkbaar zullen zijn op zowel 230 GHz als 345 GHz, terwijl het hete gas dat rond zwarte gaten draait er op die twee frequenties anders uit zal zien.

Het overwinnen van technologische uitdagingen in hoogfrequente VLBI

Dit is de eerste keer dat VLBI-technologie met succes wordt gebruikt op 345 GHz. Hoewel de mogelijkheid om de nachtelijke hemel te observeren met individuele telescopen op 345 GHz al eerder bestond, heeft het gebruik van VLBI-technologie op deze frequentie lange tijd uitdagingen met zich meegebracht die tijd en technologische vooruitgang hebben gekost om te overwinnen. Waterdamp in de atmosfeer absorbeert golven op 345 GHz veel meer dan 230 GHz, waardoor de signalen van zwarte gaten op de hogere frequentie worden verzwakt. De sleutel was om de gevoeligheid van de EHT te verbeteren, wat de onderzoekers deden door de bandbreedte van de instrumenten te vergroten en op alle locaties te wachten op goed weer.

Mondiale samenwerking en geavanceerde technologie

Het nieuwe experiment maakte gebruik van twee kleine sub-arrays van de EHT – bestaande uit de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) het Atacama Pathfinder Experiment (APEX) in Chili, de IRAM 30-meter telescoop in Spanje, de Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankrijk, de Submillimeter Array (SMA) op Mauna Kea in Hawaï, en de Groenland Telescoop – voor metingen met een nauwkeurigheid tot 19 microseconden Arc.

“De krachtigste waarnemingslocaties op aarde bevinden zich op grote hoogte, waar atmosferische transparantie en stabiliteit ideaal zijn, maar het weer zelfs nog dramatischer kan zijn”, zegt Nimesh Patel, een astrofysicus bij CfA en SAO, en een projectingenieur bij de SMA, eraan toevoegend dat bij de SMA de nieuwe waarnemingen Mauna Kea Icy Roads Challenge vereisten om de set bij helder weer na een sneeuwstorm met extra minuten te ontgrendelen. “Nu we systemen met een hogere bandbreedte hebben die bredere delen van het radiospectrum verwerken en vastleggen, beginnen we fundamentele gevoeligheidsproblemen, zoals het weer, te overwinnen. De tijd is rijp, zoals nieuwe ontdekkingen aantonen, om door te gaan naar 345 GHz.”

De toekomst van beeldvorming van zwarte gaten: het ngEHT-project

Deze prestatie vormt ook een nieuwe hoeksteen op weg naar het maken van films met hoge resolutie van de gebeurtenishorizon-omgevingen rond zwarte gaten, die zullen voortbouwen op upgrades van de bestaande mondiale array. Het geplande Next Generation EHT (ngEHT)-project zal nieuwe antennes aan de EHT toevoegen op verbeterde geografische locaties en bestaande stations verbeteren door ze allemaal te upgraden zodat ze tegelijkertijd op meerdere frequenties tussen 100 GHz en 345 GHz kunnen werken. Als gevolg van deze en andere upgrades wordt verwacht dat de Global Array de hoeveelheid scherpe, heldere gegevens die de EHT heeft voor beeldvorming met een factor 10 zal vergroten, waardoor wetenschappers niet alleen meer gedetailleerde en gevoelige beelden kunnen produceren, maar ook films met deze beelden in de hoofdrol. gewelddadige kosmische beesten.

Een belangrijke prestatie op het gebied van onderzoek in de astrofysica

“Het succes van de EHT-observatie op 345 GHz vertegenwoordigt een grote wetenschappelijke prestatie”, zegt Lisa Kewley, directeur van het CfA en SAO Observatory. “Door de grenzen van de resolutie tot het uiterste te verleggen, bereiken we een ongekende helderheid in de beeldvorming van zwart gaten die we destijds beloofden.” “Vroeg, en we stellen nieuwe en hogere normen voor het vermogen van astrofysisch onderzoek op aarde.”

Voor meer informatie over deze ontdekking, zie Zwarte gaten waargenomen met nog nooit eerder geziene hoge frequenties.

Referentie: “Eerste ontdekkingen van zeer lange basislijninterferentie bij 870 µm” door A.W. Doeleman cs, 27 augustus 2024, Astronomisch tijdschrift.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad5bdb