นักวิทยาศาสตร์ถ่ายภาพแรกของหลุมดำได้อย่างไร

หลุมดำเป็นกล้องขี้อายมาก หลุมดำมวลมหาศาลติดอยู่ในใจกลางของกาแลคซีทำให้ตัวเองมองเห็นได้ด้วยการพ่นไอพ่นที่มีประจุที่มีประจุหรือพุ่งออกไปหรือฉีกดวงดาวใกล้เคียง อย่างใกล้ชิด behemoths เหล่านี้ถูกล้อมรอบด้วยดิสก์การเพิ่มที่เรืองแสงของวัสดุที่มีความสมบูรณ์ แต่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงสุดขั้วของหลุมดำป้องกันแสงจากการหลบหนีหัวใจสีเข้มของผู้ตีหนักจักรวาลเหล่านี้ยังคงมองไม่เห็นอย่างสิ้นเชิง

โชคดีที่มีวิธีที่จะ "เห็น" หลุมดำโดยไม่ต้องมองเข้าไปในก้นบึ้งของตัวเอง กล้องโทรทรรศน์สามารถมองหาภาพเงาของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำแทนได้ - เส้นรอบวงภายในซึ่งไม่มีสิ่งใดสามารถมองเห็นหรือหลบหนีได้ - กับดิสก์สะสม นั่นคือสิ่งที่กล้องโทรทรรศน์ Horizon Event หรือ EHT ทำในเดือนเมษายน 2017 โดยรวบรวมข้อมูลที่ให้ผลภาพแรกของหลุมดำมวลมหาศาลหนึ่งใน Galaxy M87-

“ ไม่มีอะไรดีไปกว่าการมีภาพ” Avi Loeb นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าว แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมหลักฐานทางอ้อมมากมายสำหรับหลุมดำในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา“ การเห็นคือการเชื่อ”

แม้ว่าการสร้างภาพเหมือนหลุมดำเป็นครั้งแรกนั้นเป็นเรื่องยุ่งยาก หลุมดำใช้ท้องฟ้าเล็ก ๆ น้อย ๆ และจากโลกปรากฏขึ้นจาง ๆ โครงการของการถ่ายภาพหลุมดำของ M87 นั้นจำเป็นต้องมีหอสังเกตการณ์ทั่วโลกที่ทำงานควบคู่เป็นจานวิทยุขนาดใหญ่เสมือนจริงที่มีวิสัยทัศน์ที่คมชัดกว่าหอสังเกตการณ์เดียวที่สามารถทำได้ด้วยตัวเอง

วาง 'โซลูชัน' ไว้ในความละเอียด

การชั่งน้ำหนักประมาณ 6.5 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ของเราหลุมดำมวลมหาศาลภายใน M87 นั้นไม่มีการทอดเล็ก ๆ แต่เมื่อมองจาก 55 ล้านปีแสงบนโลกหลุมดำมีเพียงประมาณ 42 microarconds ข้ามบนท้องฟ้า นั่นเล็กกว่าสีส้มบนดวงจันทร์จะปรากฏต่อใครบางคนบนโลก ถึงกระนั้นนอกเหนือจากหลุมดำที่เป็นศูนย์กลางของกาแลคซีของเรา, ราศีธนู A* หรือ Sgr a* - เป้าหมายการถ่ายภาพอื่น ๆ ของ EHT - หลุมดำของ M87 เป็นหลุมหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดบนท้องฟ้า

มีเพียงกล้องโทรทรรศน์ที่มีความละเอียดเป็นประวัติการณ์เท่านั้นที่สามารถเลือกบางสิ่งบางอย่างเล็ก ๆ ได้ (สำหรับการเปรียบเทียบกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลสามารถแยกความแตกต่างของวัตถุได้เพียงเล็กน้อยถึง 50,000 microarconds) ความละเอียดของกล้องโทรทรรศน์ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของมัน: ยิ่งจานที่ใหญ่ขึ้น

แม้แต่นักดาราศาสตร์วิทยุที่เป็นใครไม่มีคนแปลกหน้าในการสร้างอาหารจานใหญ่-SN ออนไลน์: 9/29/17)“ สิ่งนี้ดูเหมือนจะทะเยอทะยานเกินไป” Loeb กล่าวซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในโครงการถ่ายภาพหลุมดำกล่าว “ เคล็ดลับคือคุณไม่ได้ครอบคลุมทั่วทั้งโลกด้วยหอดูดาว”

แต่เทคนิคที่เรียกว่า interferometry พื้นฐานที่ยาวมากรวมคลื่นวิทยุที่เห็นโดยกล้องโทรทรรศน์จำนวนมากในครั้งเดียวเพื่อให้กล้องโทรทรรศน์ทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพเหมือนจานยักษ์เดียว เส้นผ่านศูนย์กลางของจานเสมือนนั้นเท่ากับความยาวของระยะทางที่ยาวที่สุดหรือพื้นฐานระหว่างกล้องโทรทรรศน์สองตัวในเครือข่าย สำหรับ EHT ในปี 2560 นั่นคือระยะทางจากขั้วโลกใต้ไปยังสเปน

กล้องโทรทรรศน์ประกอบ!

EHT ไม่ได้เป็นอาร์เรย์ที่ร้อนแรงเสมอไป ในปี 2009 เครือข่ายของหอสังเกตการณ์เพียงสี่แห่งคือในแอริโซนาแคลิฟอร์เนียและฮาวาย - ได้รับดูดีครั้งแรกที่ฐานของหนึ่งในพลาสมาเจ็ตส์พ่นจากศูนย์กลางของหลุมดำของ M87 (SN: 11/3/12, p. 10- แต่กลุ่มกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กยังไม่มีพลังขยายที่จะเปิดเผยหลุมดำเอง

เมื่อเวลาผ่านไป EHT คัดเลือกหอสังเกตการณ์วิทยุใหม่ ภายในปี 2560 มีสถานีสังเกตการณ์แปดแห่งในอเมริกาเหนือฮาวายยุโรปอเมริกาใต้และขั้วโลกใต้ ในบรรดาผู้มาใหม่คืออาร์เรย์ขนาดใหญ่ของ Atacama มิลลิเมตร/submillimeter หรือ Alma ตั้งอยู่บนที่ราบสูงสูงทางตอนเหนือของชิลี ด้วยพื้นที่จานรวมที่ใหญ่กว่าสนามฟุตบอลอเมริกันแอลมารวบรวมคลื่นวิทยุมากกว่าหอสังเกตการณ์อื่น ๆ

“ แอลมาเปลี่ยนทุกอย่าง” วินเซนต์ฟิชนักดาราศาสตร์จากหอดูดาว Haystack ของ MIT ใน Westford, Mass กล่าว“ อะไรก็ตามที่คุณเพิ่งดิ้นรนเพื่อตรวจจับมาก่อนคุณจะได้รับการตรวจจับที่แข็งแกร่งจริงๆตอนนี้”

มากกว่าผลรวมของชิ้นส่วนของพวกเขา

EHT การสังเกตแคมเปญจะทำงานได้ดีที่สุดภายในประมาณ 10 วันในช่วงปลายเดือนมีนาคมหรือต้นเดือนเมษายนเมื่อสภาพอากาศในหอดูดาวทุกแห่งสัญญาว่าจะร่วมมือกันมากที่สุด ศัตรูที่ใหญ่ที่สุดของนักวิจัยคือน้ำในชั้นบรรยากาศเช่นฝนหรือหิมะซึ่งสามารถยุ่งเหยิงด้วยคลื่นวิทยุความยาวคลื่นมิลลิเมตรที่กล้องโทรทรรศน์ของ EHT ได้รับการปรับ

แต่การวางแผนสำหรับสภาพอากาศในหลายทวีปอาจเป็นอาการปวดหัวแบบลอจิสติกส์

“ ทุกเช้ามีชุดโทรศัพท์และการวิเคราะห์ข้อมูลสภาพอากาศและความพร้อมของกล้องโทรทรรศน์และจากนั้นเราก็ตัดสินใจไปเที่ยวกลางคืน” Geoffrey Bower จาก Academia Sinica Institute of Astronomy และ Astrophysics ใน Hilo, Hawaii กล่าว ในช่วงต้นของการรณรงค์วิจัยมีความจู้จี้จุกจิกเกี่ยวกับเงื่อนไข แต่ในตอนท้ายของการวิ่งพวกเขาจะทำสิ่งที่พวกเขาจะได้รับ

เมื่อท้องฟ้ามีความชัดเจนพอที่จะสังเกตนักวิจัยนำกล้องโทรทรรศน์ไปที่หอดูดาว EHT แต่ละแห่งไปยังบริเวณใกล้เคียงของหลุมดำมวลมหาศาลและเริ่มเก็บคลื่นวิทยุ ตั้งแต่หลุมดำของ M87 และ Sgr A* ปรากฏบนท้องฟ้าทีละคน-แต่ละอันกำลังจะเพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับชุดอื่น ๆ-EHT สามารถสลับไปมาระหว่างการสังเกตสองเป้าหมายในช่วงเวลาของแคมเปญหลายวันเดียว หอสังเกตการณ์ทั้งแปดแห่งสามารถติดตาม Sgr A*ได้ แต่ M87 อยู่ในท้องฟ้าทางตอนเหนือและเหนือสายตาของสถานีขั้วโลกใต้

ด้วยตัวเองข้อมูลจากแต่ละสถานีสังเกตการณ์ดูเหมือนเรื่องไร้สาระ แต่เมื่อนำมารวมกันโดยใช้เทคนิค interferometry พื้นฐานที่ยาวมากข้อมูลเหล่านี้สามารถเปิดเผยลักษณะที่ปรากฏของหลุมดำได้

นี่คือวิธีการทำงาน ภาพวิทยุคู่หนึ่งที่มุ่งเป้าไปที่เป้าหมายเดียวในกรณีนี้ภาพเงารูปวงแหวนของหลุมดำ คลื่นวิทยุที่เล็ดลอดออกมาจากแต่ละบิตของวงแหวนนั้นจะต้องเดินทางไปตามเส้นทางที่แตกต่างกันเล็กน้อยเพื่อไปยังกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัว คลื่นวิทยุเหล่านี้สามารถรบกวนกันและกันบางครั้งก็เสริมกำลังกันและบางครั้งก็ยกเลิกซึ่งกันและกัน รูปแบบการรบกวนที่เห็นโดยกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัวขึ้นอยู่กับว่าคลื่นวิทยุจากส่วนต่าง ๆ ของวงแหวนมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรเมื่อพวกเขาไปถึงตำแหน่งของกล้องโทรทรรศน์นั้น

สำหรับเป้าหมายง่าย ๆ เช่นดาวแต่ละดวงรูปแบบคลื่นวิทยุที่ได้รับจากกล้องโทรทรรศน์คู่เดียวให้ข้อมูลที่เพียงพอสำหรับนักวิจัยในการทำงานย้อนหลังและค้นหาว่าการกระจายของแสงต้องสร้างข้อมูลเหล่านั้นอย่างไร แต่สำหรับแหล่งที่มาที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนเช่นหลุมดำมีวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้มากเกินไปสำหรับสิ่งที่ภาพอาจเป็น นักวิจัยต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อหาว่าคลื่นวิทยุของหลุมดำมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรโดยเสนอเบาะแสเพิ่มเติมเกี่ยวกับหลุมดำที่มีลักษณะอย่างไร

อาร์เรย์ในอุดมคติมีเส้นเขตแดนที่มีความยาวและทิศทางที่แตกต่างกันมากที่สุด คู่กล้องโทรทรรศน์ที่อยู่ห่างไกลออกไปสามารถดูรายละเอียดที่ดีขึ้นได้เนื่องจากมีความแตกต่างที่ใหญ่กว่าระหว่างเส้นทางที่คลื่นวิทยุใช้จากหลุมดำไปยังกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัว EHT รวมถึงคู่กล้องโทรทรรศน์ที่มีทิศทางทั้งทิศเหนือ-ใต้และตะวันออก-ตะวันตกซึ่งเปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับหลุมดำเมื่อโลกหมุน

ดึงมันทั้งหมดเข้าด้วยกัน

เพื่อที่จะถักเปียการสังเกตจากหอสังเกตการณ์แต่ละแห่งนักวิจัยจำเป็นต้องบันทึกเวลาสำหรับข้อมูลของพวกเขาด้วยความแม่นยำที่ยอดเยี่ยม สำหรับสิ่งนั้นพวกเขาใช้นาฬิกาอะตอมไฮโดรเจนมาเซอร์ซึ่งสูญเสียประมาณหนึ่งวินาทีทุก ๆ 100 ล้านปี

มีข้อมูลจำนวนมากต่อการประทับเวลา “ ในการทดลองครั้งสุดท้ายของเราเราบันทึกข้อมูลในอัตรา 64 กิกะบิตต่อวินาทีซึ่งประมาณ 1,000 ครั้ง [เร็วกว่า] การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตที่บ้านของคุณ” Bower กล่าว

ข้อมูลเหล่านี้จะถูกถ่ายโอนไปยังหอดูดาว MIT Haystack และ Max Planck Institute สำหรับดาราศาสตร์วิทยุในกรุงบอนน์ประเทศเยอรมนีสำหรับการประมวลผลในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ชนิดพิเศษที่เรียกว่า Correlator แต่สถานีกล้องโทรทรรศน์แต่ละแห่งสะสมข้อมูลหลายร้อยรายการในระหว่างแคมเปญการสังเกตเพียงครั้งเดียว - มากเกินไปที่จะส่งผ่านอินเทอร์เน็ต ดังนั้นนักวิจัยจึงใช้ตัวเลือกที่ดีที่สุดต่อไป: หอยทากเมล จนถึงตอนนี้ยังไม่มีอุบัติเหตุการขนส่งครั้งใหญ่ แต่ Bower ยอมรับว่าการส่งจดหมายดิสก์นั้นเป็นเรื่องเล็กน้อย

แม้ว่าข้อมูล EHT ส่วนใหญ่จะมาถึง Haystack และ Max Planck ภายในไม่กี่สัปดาห์ของการแคมเปญการสังเกต 2017 แต่ก็ไม่มีเที่ยวบินจากขั้วโลกใต้จนถึงเดือนพฤศจิกายน “ เราไม่ได้รับข้อมูลกลับมาจากขั้วโลกใต้จนถึงกลางเดือนธันวาคม” ปลานักดาราศาสตร์ MIT Haystack กล่าว

เติมในช่องว่าง

การรวมข้อมูล EHT ยังไม่เพียงพอที่จะแสดงภาพที่สดใสของหลุมดำมวลมหาศาล ถ้าหลุมดำของ M87 เป็นเพลงจากนั้นถ่ายภาพโดยใช้เฉพาะข้อมูล EHT ที่รวมกันจะเหมือนกับการฟังชิ้นส่วนที่เล่นเปียโนที่มีปุ่มหัก คีย์ที่ทำงานได้มากขึ้น - หรือคู่ฐานข้อมูลกล้องโทรทรรศน์ - ง่ายกว่าที่จะได้รับส่วนสำคัญของทำนอง “ แม้ว่าคุณจะมีกุญแจหัก แต่ถ้าคุณเล่นส่วนที่เหลือทั้งหมดอย่างถูกต้องคุณสามารถคิดออกได้และส่วนหนึ่งเป็นเพราะเรารู้ว่าเพลงฟังดูเป็นอย่างไร” Fish กล่าว “ เหตุผลที่เราสามารถสร้างภาพขึ้นใหม่ได้แม้ว่าเราจะไม่มีข้อมูล 100 เปอร์เซ็นต์ก็เป็นเพราะเรารู้ว่าภาพมีหน้าตาเป็นอย่างไร” โดยทั่วไป

มีกฎทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับการสุ่มภาพใด ๆ ที่กำหนดสามารถมีได้อย่างไรมันควรจะสว่างแค่ไหนและมีแนวโน้มว่าพิกเซลใกล้เคียงจะมีลักษณะคล้ายกันอย่างไร แนวทางพื้นฐานเหล่านั้นสามารถแจ้งให้ทราบว่าซอฟต์แวร์ตัดสินใจว่าภาพที่มีศักยภาพหรือการตีความข้อมูลใดบ้าง

ก่อนที่แคมเปญการสังเกตปี 2560 นักวิจัย EHT ได้จัดทำชุดของความท้าทายด้านการถ่ายภาพเพื่อให้แน่ใจว่าอัลกอริทึมคอมพิวเตอร์ของพวกเขาไม่ได้มีอคติต่อการสร้างภาพเพื่อให้ตรงกับความคาดหวังของหลุมดำที่ควรมีลักษณะอย่างไร บุคคลหนึ่งจะใช้ภาพลับเพื่อสร้างข้อมูลเทียมของสิ่งที่กล้องโทรทรรศน์จะดูว่าพวกเขากำลังมองหาแหล่งที่มานั้นหรือไม่ จากนั้นนักวิจัยคนอื่น ๆ จะพยายามสร้างภาพต้นฉบับขึ้นใหม่

“ บางครั้งภาพที่แท้จริงไม่ใช่ภาพหลุมดำจริง ๆ ” ปลากล่าว“ ดังนั้นถ้าอัลกอริทึมของคุณพยายามหาเงาหลุมดำ…คุณจะทำได้ไม่ดี” การปฏิบัติงานช่วยให้นักวิจัยปรับแต่งเทคนิคการประมวลผลข้อมูลที่ใช้ในการแสดงภาพ M87

หลุมดำและอื่น ๆ

ดังนั้นหลุมดำภายใน M87 ในที่สุดก็มีระยะใกล้ ตอนนี้อะไร?

การสังเกตหลุมดำของ EHT คาดว่าจะช่วยตอบคำถามเช่นหลุมดำที่มีขนาดมหึมารวมถึง M87'sเปิดตัวเจ็ตพลาสมาที่สดใสเช่นนี้-SN ออนไลน์: 3/29/19- ทำความเข้าใจว่าก๊าซตกลงมาอย่างไรและป้อนหลุมดำสามารถช่วยแก้ปัญหาความลึกลับได้อย่างไรหลุมดำบางส่วนเติบโตอย่างรวดเร็วในจักรวาลยุคแรกLoeb พูดว่า (SN ออนไลน์: 3/16/18-

EHT ยังสามารถใช้ Loeb แนะนำเพื่อหาคู่ของหลุมดำมวลมหาศาลที่โคจรรอบกัน - คล้ายกับหลุมดำมวลดาวฤกษ์สองตัวที่มีทั้งสองการชนกันสร้างคลื่นความโน้มถ่วงตรวจพบในปี 2558 โดยหอสังเกตการณ์คลื่นแรงโน้มถ่วงแบบอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ขั้นสูงหรือ LIGO ขั้นสูง (SN: 3/5/16, p. 6- การสำรวจสำมะโนประชากรของไบนารีเหล่านี้อาจช่วยให้นักวิจัยระบุเป้าหมายสำหรับเสาอากาศอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์หรือ Lisa ซึ่งจะค้นหาจากอวกาศสำหรับคลื่นความโน้มถ่วงถูกเตะขึ้นโดยการเคลื่อนไหวของวัตถุเช่นหลุมดำ-SN ออนไลน์: 6/20/17-

EHT ไม่ได้มีเป้าหมายที่เป็นไปได้มากมายนอกเหนือจากหลุมดำมวลมหาศาล Daniel Marrone นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแอริโซนาในทูซอนกล่าว มีสิ่งอื่น ๆ ในจักรวาลที่มีขนาดเล็ก แต่ส่องสว่างเหมือนพื้นที่รอบ ๆ หลุมดำมวลมหาศาล “ คุณต้องสามารถให้แสงสว่างเพียงพอจากท้องฟ้าเล็ก ๆ ที่เราสามารถตรวจจับได้” Marrone กล่าว “ โดยหลักการแล้วเราอาจอ่านแผ่นป้ายทะเบียนมนุษย์ต่างดาวหรืออะไรบางอย่าง” แต่พวกเขาต้องการสดใสสุด ๆ

แย่มากสำหรับผู้แสวงหามนุษย์ต่างดาว ถึงกระนั้นแม้ว่า EHT จะเป็นม้าตัวเดียว แต่การสอดแนมหลุมดำมวลมหาศาลก็เป็นเคล็ดลับที่ค่อนข้างเรียบร้อย