Ett internationellt team med över 200 astronomer, inklusive forskare från MIT:s Haystack Observatory, har tagit de första direkta bilderna av ett svart hål. De åstadkom denna anmärkningsvärda bedrift genom att samordna kraften hos åtta stora radioobservatorier på fyra kontinenter, att arbeta tillsammans som en virtuell, Teleskop i jordstorlek.

I en serie tidningar publicerade idag i ett specialnummer av Astrofysiska tidskriftsbrev , teamet har avslöjat fyra bilder av det supermassiva svarta hålet i hjärtat av Messier 87, eller M87, en galax i Virgo galaxhopen, 55 miljoner ljusår från jorden.

Alla fyra bilderna visar ett centralt mörkt område omgivet av en ljusring som verkar skev – ljusare på ena sidan än den andra.

Albert Einstein, i sin allmänna relativitetsteori, förutspådde förekomsten av svarta hål, i form av oändligt tät, kompakta områden i rymden, där gravitationen är så extrem att ingenting, inte ens ljus, kan fly inifrån. Per definition, svarta hål är osynliga. Men om ett svart hål är omgivet av ljusemitterande material som plasma, Einsteins ekvationer förutspår att en del av detta material skulle skapa en "skugga, " eller en kontur av det svarta hålet och dess gräns, även känd som dess händelsehorisont.

Baserat på de nya bilderna av M87, forskarna tror att de ser ett svart håls skugga för första gången, i form av det mörka området i mitten av varje bild.

Relativiteten förutspår att det enorma gravitationsfältet kommer att få ljus att böja sig runt det svarta hålet, bildar en ljus ring runt dess siluett, och kommer också att få det omgivande materialet att kretsa runt föremålet med nära ljushastighet. De ljusa, en sned ring i de nya bilderna ger visuell bekräftelse på dessa effekter:Materialet som är på väg mot vår utsiktspunkt när det roterar runt verkar ljusare än den andra sidan.

Från dessa bilder, teoretiker och modellare i teamet har bestämt att det svarta hålet är cirka 6,5 ​​miljarder gånger så massivt som vår sol. Små skillnader mellan var och en av de fyra bilderna tyder på att materialet glider runt det svarta hålet blixtsnabbt.

"Detta svarta hål är mycket större än Neptunus omloppsbana, och det tar 200 år för Neptunus att gå runt solen, " säger Geoffrey Crew, en forskare vid Haystack Observatory. "Med det svarta hålet M87 som är så massivt, en planet i omloppsbana skulle gå runt den inom en vecka och färdas nära ljusets hastighet."

"Människor tenderar att se himlen som något statiskt, att saker och ting inte förändras i himlen, eller om de gör det, det är på tidsskalor som är längre än en mänsklig livstid, säger Vincent Fish, en forskare vid Haystack Observatory. "Men vad vi hittar för M87 är, på de mycket fina detaljerna vi har, objekt ändras på tidsskalan av dagar. I framtiden, vi kanske kan producera filmer av dessa källor. Idag ser vi startramarna."

"Dessa anmärkningsvärda nya bilder av det svarta hålet M87 bevisar att Einstein hade rätt igen, säger Maria Zuber, MIT:s vicepresident för forskning och E.A. Griswold professor i geofysik vid Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Upptäckten möjliggjordes av framsteg inom digitala system där Haystack-ingenjörer länge har utmärkt sig."

"Naturen var snäll"

Bilderna togs av Event Horizon Telescope, eller EHT, en array i planetskala som består av åtta radioteleskop, var och en i en fjärrkontroll, miljö på hög höjd, inklusive bergstopparna på Hawaii, Spaniens Sierra Nevada, den chilenska öknen, och det antarktiska inlandsisen.

Vilken dag som helst, varje teleskop fungerar oberoende, observera astrofysiska föremål som sänder ut svaga radiovågor. Dock, ett svart hål är oändligt mycket mindre och mörkare än någon annan radiokälla på himlen. För att se det tydligt, astronomer måste använda mycket korta våglängder – i det här fallet, 1,3 millimeter - som kan skära igenom molnen av material mellan ett svart hål och jorden.

Att ta en bild av ett svart hål kräver också en förstoring, eller "vinkelupplösning, " motsvarar att läsa en text på en telefon i New York från ett trottoarkafé i Paris. Ett teleskops vinkelupplösning ökar med storleken på dess mottagningsfat. till och med de största radioteleskopen på jorden är inte i närheten stora nog att se ett svart hål.

Men när flera radioteleskop, åtskilda av mycket stora avstånd, är synkroniserade och fokuserade på en enda källa på himlen, de kan fungera som en mycket stor radioskål, genom en teknik som kallas mycket lång baslinjeinterferometri, eller VLBI. Deras kombinerade vinkelupplösning som ett resultat kan förbättras avsevärt.

För EHT, de åtta deltagande teleskopen sammanfattade till en virtuell radioskål lika stor som jorden, med förmågan att lösa ett objekt ner till 20 mikrobågsekunder — cirka 3 miljoner gånger skarpare än 20/20 syn. Av en lycklig slump, det är ungefär den precision som krävs för att se ett svart hål, enligt Einsteins ekvationer.

"Naturen var snäll mot oss, och gav oss något precis stort nog att se genom att använda toppmodern utrustning och teknik, säger Crew, medledare för EHT-korrelationsarbetsgruppen och ALMA Observatory VLBI-teamet.

"Gobs av data"

Den 5 april, 2017, EHT började observera M87. Efter att ha konsulterat många väderprognoser, astronomer identifierade fyra nätter som skulle skapa tydliga förhållanden för alla åtta observatorier - en sällsynt möjlighet, under vilken de kunde arbeta som en gemensam maträtt för att observera det svarta hålet.

Inom radioastronomi, teleskop upptäcker radiovågor, vid frekvenser som registrerar inkommande fotoner som en våg, med en amplitud och fas som mäts som en spänning. När de observerade M87, varje teleskop tog in dataströmmar i form av spänningar, representeras som digitala nummer.

"We're recording gobs of data—petabytes of data for each station, " Crew says.

Totalt, each telescope took in about one petabyte of data, equal to 1 million gigabytes. Each station recorded this enormous influx that onto several Mark6 units—ultrafast data recorders that were originally developed at Haystack Observatory.

After the observing run ended, researchers at each station packed up the stack of hard drives and flew them via FedEx to Haystack Observatory, in Massachusetts, and Max Planck Institute for Radio Astronomy, i Tyskland. (Air transport was much faster than transmitting the data electronically.) At both locations, the data were played back into a highly specialized supercomputer called a correlator, which processed the data two streams at a time.

As each telescope occupies a different location on the EHT's virtual radio dish, it has a slightly different view of the object of interest—in this case, M87. The data received by two separate telescopes may encode a similar signal of the black hole but also contain noise that's specific to the respective telescopes.

The correlator lines up data from every possible pair of the EHT's eight telescopes. From these comparisons, it mathematically weeds out the noise and picks out the black hole's signal. High-precision atomic clocks installed at every telescope time-stamp incoming data, enabling analysts to match up data streams after the fact.

"Precisely lining up the data streams and accounting for all kinds of subtle perturbations to the timing is one of the things that Haystack specializes in, " says Colin Lonsdale, Haystack director and vice chair of the EHT directing board.

Teams at both Haystack and Max Planck then began the painstaking process of "correlating" the data, identifying a range of problems at the different telescopes, fixing them, and rerunning the correlation, until the data could be rigorously verified. Only then were the data released to four separate teams around the world, each tasked with generating an image from the data using independent techniques.

"It was the second week of June, and I remember I didn't sleep the night before the data was released, to be sure I was prepared, " says Kazunori Akiyama, co-leader of the EHT imaging group and a postdoc working at Haystack.

All four imaging teams previously tested their algorithms on other astrophysical objects, making sure that their techniques would produce an accurate visual representation of the radio data. When the files were released, Akiyama and his colleagues immediately ran the data through their respective algorithms. Viktigt, each team did so independently of the others, to avoid any group bias in the results.

"The first image our group produced was slightly messy, but we saw this ring-like emission, and I was so excited at that moment, " Akiyama remembers. "But simultaneously I was worried that maybe I was the only person getting that black hole image."

His concern was short-lived. Soon afterward all four teams met at the Black Hole Initiative at Harvard University to compare images, and found, with some relief, and much cheering and applause, that they all produced the same, lopsided, ring-like structure—the first direct images of a black hole.

"There have been ways to find signatures of black holes in astronomy, but this is the first time anyone's ever taken a picture of one, " Crew says. "This is a watershed moment."

"A new era"

The idea for the EHT was conceived in the early 2000s by Sheperd Doeleman Ph.D. '95, who was leading a pioneering VLBI program at Haystack Observatory and now directs the EHT project as an astronomer at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Just då, Haystack engineers were developing the digital back-ends, recorders, and correlator that could process the enormous datastreams that an array of disparate telescopes would receive.

"The concept of imaging a black hole has been around for decades, " Lonsdale says. "But it was really the development of modern digital systems that got people thinking about radio astronomy as a way of actually doing it. More telescopes on mountaintops were being built, and the realization gradually came along that, hey, [imaging a black hole] isn't absolutely crazy."

In 2007, Doeleman's team put the EHT concept to the test, installing Haystack's recorders on three widely scattered radio telescopes and aiming them together at Sagittarius A*, the black hole at the center of our own galaxy.

"We didn't have enough dishes to make an image, " recalls Fish, co-leader of the EHT science operations working group. "But we could see there was something there that's about the right size."

I dag, the EHT has grown to an array of 11 observatories:ALMA, APEX, the Greenland Telescope, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the Kitt Peak Telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

Coordinating observations and analysis has involved over 200 scientists from around the world who make up the EHT collaboration, with 13 main institutions, including Haystack Observatory. Key funding was provided by the National Science Foundation, the European Research Council, and funding agencies in East Asia, including the Japan Society for the Promotion of Science. The telescopes contributing to this result were ALMA, APEX, the IRAM 30-meter telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

More observatories are scheduled to join the EHT array, to sharpen the image of M87 as well as attempt to see through the dense material that lies between Earth and the center of our own galaxy, to the heart of Sagittarius A*.

"We've demonstrated that the EHT is the observatory to see a black hole on an event horizon scale, " Akiyama says. "This is the dawn of a new era of black hole astrophysics."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.