Tähtitieteilijät paljastivat ensimmäisen kuvan galaksimme ytimessä olevasta mustasta aukosta

Tähtitieteilijöiden havainnot kolmenkymmenen viime vuoden ajalta ovat osoittaneet, että tähdet kiertävät Linnunradan keskellä jotakin näkymätöntä, kompaktia ja hyvin massiivista. Nyt kansainvälinen tutkijaryhmä on julkistanut ensimmäistä kertaa kuvan, joka on vahva visuaalinen todiste siitä, että tuo Sagittarius A* -nimellä tunnettu kohde on musta aukko.

Kuvan on tuottanut Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration -tutkimusryhmä käyttämällä maailmanlaajuisen radioteleskooppiverkoston tekemiä havaintoja.

Tulos antaa arvokkaita vihjeitä näiden jättiläisten toiminnasta, joiden uskotaan löytyvän useimpien galaksien keskeltä.

Vaikka itse mustaa aukkoa ei voi nähdä, koska se on täysin pimeä, sitä ympäröivä hehkuva kaasu paljastaa mustan aukon ominaisen tunnusmerkin. Tummaa keskialuetta, jota kutsutaan varjoksi, ympäröi kirkas rengasmainen rakenne. Uuteen kuvaan on tallentunut valoa, jota mustan aukon valtava painovoima taivuttaa. Musta aukko on neljä miljoonaa kertaa massiivisempi kuin Aurinko.

”Meitä hämmästytti se, kuinka tarkasti renkaan koko vastasi Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvia ennusteita”, sanoo Geoffrey Bower, EHT-projektitutkija tähtitieteen ja astrofysiikan instituutista Academia Sinica Taipeista Taiwanista.

”Nämä ennennäkemättömät havainnot ovat edistäneet huomattavasti käsitystämme siitä, mitä aivan galaksimme ytimessä tapahtuu ja miten tällaiset jättimäiset mustat aukot ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa.”
EHT-tiimin tulokset julkaistiin tänään The Astrophysical Journal Letters -lehden erikoisnumerossa.

Kahdeksan teleskoopin verkosto

Koska musta aukko on noin 27 000 valovuoden päässä Maasta, se näkyy maahan suunnilleen samankokoisena kuin Kuun pinnalla oleva donitsi.
Kuvatakseen mustaa aukkoa tiimi yhdisti kahdeksan maailman eri kolkissa sijaitsevaa radioteleskooppia yhdeksi maapallon kokoiseksi virtuaaliteleskoopiksi [1]. EHT havainnoi Sagittarius A*:ta useana yönä keräten tietoa monen tunnin ajalta eli samalla periaatteella kuin käytettäessä pitkää valotusta tavallisella kameralla.

EHT:ssa voimansa yhdistävät maailman tehokkaimmat millimetriaaltoalueen radioteleskoopit Etelä- ja Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja Antarktiksella.

”Suomi on jäsen Euroopan eteläisessä observatoriossa (ESO). Sen tehtävänä on mahdollistaa jäsenmaidensa tutkijoille pääsy ensiluokkaisiin tähtitieteellisiin havaintolaitteisiin. ESO operoi kolmea huipputasoista observatoriota Chilessä, missä osa havainnoista on tehty”, sanoo tutkijatohtori Venkatessh Ramakrishnan Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatoriosta ja ESO-keskuksesta.

Ennen tätä läpimurtoa EHT-yhteistyöhanke julkaisi vuonna 2019 ensimmäisen kuvan M87*-nimisestä mustasta aukosta, joka on kauempana olevan Messier 87 -galaksin keskellä.

Nämä kaksi mustaa aukkoa näyttävät huomattavan samanlaisilta, vaikka oman galaksimme musta aukko on yli tuhat kertaa pienempi ja vähemmän massiivinen kuin M87* [2].

”Kyseessä on kaksi hyvin erilaista galaksia ja kaksi erilaista mustaa aukkoa. Kun katsomme mustien aukkojen reunoja tarpeeksi läheltä, ne näyttävät kuitenkin hämmästyttävän samalta”, sanoo Sera Markoff, EHT:n tiedeneuvoston puheenjohtaja ja teoreettisen astrofysiikan professori Amsterdamin yliopistosta Hollannista.

”Tämä kertoo meille, että mustan aukon lähellä yleinen suhteellisuusteoria määrittää, miltä ne näyttävät. Kaikki erot, joita näemme kauempana, johtuvat eroista aukkoja ympäröivässä aineessa.”

Kuin ottaisi kuvaa häntäänsä jahtaavasta koiranpennusta

Sagittarius A*:n kuvaaminen oli huomattavasti haastavampi tehtävä kuin M87*:n kuvaaminen, vaikka Sagittarius A* on paljon lähempänä maapalloa. EHT-tutkija Chi-kwan Chan Yhdysvalloissa sijaitsevasta Arizonan yliopiston Steward-observatoriosta selittää:

”Kaasu liikkuu molempien mustien aukkojen läheisyydessä samalla nopeudella, lähes valonnopeudella. Kun kaasulla kestää päiviä tai viikkoja kiertää suuremman M87*:n ympäri, kaasu ehtii paljon pienemmän Sagittarius A*:n ympäri muutamassa minuutissa. Tämän takia Sagittarius A*:n ympärillä olevan kaasun kirkkaus ja muodostelma muuttui nopeaa tahtia EHT:n havainnoidessa sitä. Kuin yrittäisi ottaa selkeän kuvan koiranpennusta, joka jahtaa häntäänsä täyttä vauhtia.”

Tutkijoiden oli kehitettävä uusia työkaluja, jotka pystyivät ottamaan kaasun liikkeen huomioon. M87* oli helpompi ja vakaampi kohde, josta otetut kuvat näyttivät lähes aina samalta mutta toisin oli Sagittarius A*:n osalta. Nyt julkaistu kuva on keskiarvo tiimin ottamista eri kuvista, joista lopulta paljastui ensimmäistä kertaa galaksin keskellä piileskelevä jättiläinen.

Mullistavan kuvan ottaneeseen EHT-yhteistyöhankkeeseen kuului yli 300 tutkijaa 80 eri yliopistosta ympäri maailmaa. Tiimi kehitti monimutkaisia työkaluja Sagittarius A*:n kuvaamiseen liittyvien haasteiden ratkaisemiseksi ja työskenteli uupumatta viiden vuoden ajan. Dataa yhdisteltiin ja analysoitiin supertietokoneilla, ja havaintojen vertailuun kerättiin ennennäkemätön kirjasto simuloiduista mustista aukoista.

Turun yliopiston ja Åbo Akademin yhteistyöllä on ollut merkittävä rooli tiedon yhdistelyssä ja analysoinnissa supertietokoneilla.

"Turun yliopiston ja Åbo Akademin laskentaklusterit ovat olleet merkittävässä roolissa havaintojen analysoinnissa. Turun yliopiston panos laskentaan otettiin tutkimusryhmässä kiitollisuudella vastaan, koska laskentakapasiteetti on yleisesti hyvin kallista ja kilpailtua", kertoo Turun yliopiston ja Tuorlan observatorion tutkija Kaj Wiik.

"Ehdotukseni klusterimme käyttämisestä johti siihen, että osa kuvista, jotka tuottivat lopullisen kuvan Linnunratamme mustan aukon varjosta, on laskettu Turussa. Varsinaisten havaintokuvien lisäksi samoilla menetelmillä kuvannettiin joukko synteettisiä havaintoja lopputuloksen varmistamiseksi. Samankaltaista menetelmää käytettiin myös mustan aukon fysikaalisten parametrien varmistamisessa. Kaikkiaan laskimme todennäköisyyden sadoille miljoonille erilaisille kuville, joista sitten valittiin ne, jotka todennäköisimmin kuvaavat mustan aukon varjoa."

Metsähovin radio-observatorio mukana kehitystyössä

Kahden eri kokoisen mustan aukon kuvat avaavat tutkijoille uusia mahdollisuuksia ymmärtää niiden samankaltaisuuksia ja eroja. Tutkijat ovat myös alkaneet käyttää uutta kuvaa testatakseen teorioita ja malleja siitä, miten kaasu käyttäytyy supermassiivisten mustien aukkojen ympärillä. Tätä prosessia ei vielä ymmärretä täysin, mutta sen uskotaan olevan tärkeässä roolissa galaksien muodostumisessa ja kehittymisessä.

”Nyt näiden kahden supermassiivisen mustan aukon välisiä eroja voidaan tutkia ja saada arvokkaita uusia vihjeitä tämän tärkeän prosessin toiminnasta”, sanoo EHT:n tutkija Keiichi Asada tähtitieteen ja astrofysiikan instituutista Academia Sinica Taipeista Taiwanista.

”Meillä on nyt kuvia kahdesta mustasta aukosta, joista toinen on maailmankaikkeuden supermassiivisten mustien aukkojen suuremmasta päästä ja toinen pienemmästä. Siksi painovoiman toimintaa näissä äärimmäisissä ympäristöissä voidaan tutkia paljon syvällisemmin kuin ennen.”

EHT:n kehitys jatkuu edelleen: maaliskuussa 2022 järjestetyssä havaintokampanjassa oli mukana enemmän teleskooppeja kuin koskaan ennen. EHT-verkoston jatkuvan laajentumisen ja merkittävien teknologisten kehitysaskeleiden ansiosta tutkijat voivat lähitulevaisuudessa tuottaa mustista aukoista entistä vaikuttavampia kuvia ja videoita.

”Maapallon kokoisen virtuaalisen radioteleskoopin – tai ’interferometrin’ – luominen EHT:n käyttämillä lyhyillä millimetriaallonpituuksilla oli valtava tekninen haaste, jonka selättäminen on vaatinut vuosikymmenten kehitystyön. Metsähovin radio-observatorio on osallistunut tähän kehitystyöhön jo sen varhaisvaiheissa 1990-luvulla”, kertoo Aalto-yliopiston vanhempi tutkija ja EHT-yhteistyöhankkeen jäsen Tuomas Savolainen, joka oli mukana muodostamassa kuvaa sekä Sagittarius A*:sta että kolme vuotta sitten M87*:stä.

”Kuvat kahdesta supermassiivisesta mustasta aukosta ovat huikea onnistuminen, mutta tutkijoiden työ on vasta alussa. Meillä on lisää havaintoja vuosilta 2018, 2021 ja 2022, ja katse on myös laitteiston kehittämisessä. Haluamme lisää teleskooppeja, mikä mahdollistaisi videot ja kaasun liikkeen tutkimisen aivan mustan aukon välittömässä läheisyydessä. Kaukaisemmassa tulevaisuudessa siintää ajatus EHT:n ulottamisesta avaruuteen satelliittiin sijoitetun antennin avulla, mikä mahdollistaisi vielä paljon pienempien yksityiskohtien erottamisen kuvissa ja siten yleisen suhteellisuusteorian uudet testit.”

Lisätietoa:
Tuomas Savolainen
vanhempi tutkija, Senior Scientist
Aalto-yliopisto Metsähovin radio-observatorio, Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
[email protected]  
Puh. 050 308 3696

Venkatessh Ramakrishnan
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto Metsähovin radio-observatorio
Suomen ESO-keskus
[email protected]
Puh. 040 364 0417

Kaj Wiik
erikoistutkija
Turun yliopisto
[email protected]  
Puh. 050 413 7918

EHT:n verkkosivusto: https://eventhorizontelescope.org/

Lisähuomiot
[1] EHT:ssä vuonna 2017 havaintojen tekemisen aikaan käytetyt yksittäiset teleskoopit olivat: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder Experiment (APEX), IRAM 30-meter Telescope, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), Submillimeter Array (SMA), UArizona Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT). Sittemmin EHT on lisännyt verkostoon Greenland Telescopen (GLT), Northern Extended Millimeter Arrayn (NOEMA) ja UArizona 12-meter Telescopen, joka sijaitsee Kitt Peakissa.
ALMA on kumppanuusjärjestelmä, johon kuuluvat Euroopan eteläinen observatorio (European Southern Observatory ESO, edustaa jäsenmaita), Yhdysvaltain National Science Foundation (NSF) ja Japanin National Institutes of Natural Sciences (NINS) sekä National Research Council (Kanada), Ministry of Science and Technology (MOST; Taiwan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) ja Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Etelä-Korea) yhteistyössä Chilen tasavallan kanssa. APEX on yhteistyöhanke, johon kuuluu radioastronomian Max Planck instituutti (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Saksa), Onsalan avaruusobservatorio (Onsala rymdobservatorium, Ruotsi) sekä ESO, ja APEX:ia operoi ESO. 30-meter Telescopea operoi IRAM (IRAM-kumppaniorganisaatiot ovat MPG (Saksa), CNRS (Ranska) ja IGN (Espanja)). James Clerk Maxwell Telescopea operoi East Asian Observatory Japanin National Astronomical Observatoryn, ASIAA:n, KASI:n, Thaimaan National Astronomical Research Instituten ja Center for Astronomical Mega-Sciencen puolesta sekä Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja Kanadassa sijaitsevien organisaatioiden puolesta. LMT:tä operoivat INAOE ja UMass, SMA:ta operoivat Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian ja ASIAA, ja UArizona:n SMT:tä Arizonan yliopisto. South Pole Telescopea operoi Chicagon yliopisto käyttäen Arizonan yliopiston toimittamia erityisiä EHT-instrumentteja.
Greenland Telescopea (GLT) operoivat ASIAA ja Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). GLT on osa ALMA-Taiwan-hanketta, ja sitä rahoittavat osittain Academia Sinica (AS) ja MOST. NOEMA:a operoi IRAM, ja Kitt Peakissa sijaitsevaa UArizona 12-meter telescopea operoi Arizonan yliopisto.

[2]. Mustat aukot ovat ainoita tunnettuja kohteita, joiden massa riippuu suoraan niiden koosta. Toista mustaa aukkoa tuhat kertaa pienempi musta aukko on myös tuhat kertaa vähemmän massiivinen.