Itt az év legfontosabb csillagászati felfedezése

További Tech-Tudomány cikkek

Öt párhuzamosan tartott sajtótájékoztatón jelentették be világszerte, hogy az Eseményhorizont Teleszkópnak (EHT) sikerült elkészítenie az első közvetlen felvételt egy fekete lyukról, a Messier 87 galaxis közepén lévőről. Eközben a mi galaxisunk közepén lévő Sagittarius A* fekete lyukról is elkészítették a felvételeket, amelyek feldolgozásának eredménye (tehát egy újabb kép) hamarosan várható. Ezzel végérvényesen bebizonyosodott, hogy ezek a rejtélyes égitestek nemcsak a kozmológiai egyenletekben, de a valóságban is léteznek. Emellet újból bebizonyosodott, hogy Einsteinnek igaza volt, hiszen a kép mindenben megfelel az általános relativitáselmélet előrejelzéseinek. Hacsak idén nem fotóz le kicsi zöld emberkéket a Curiosity a Marson, akkor ennél nagyobb durranás nem lesz 2019-ben a csillagászatban.

A világszerte milliók által élőben nézett sajtókonferenciákon a tudósok, és az ő dicsőségükben fürdő politikusok bemutatták a fotót, amire az EHT történelmi, pontosan két évvel ezelőtt lezajlott méréssorozata óta várt mindenki, aki érdeklődik a csillagászat iránt. A felvétel azt bizonyítja, hogy az asztrofizikusok eljutottak a galaxis, sőt az univerzum legbelső titkaihoz. A legmodernebb vizsgálati módszerek olyan jelenségeket hoznak kézzelfogható közelségbe, amelyek (például a fekete lyukak) puszta valóságossága sem volt egyértelmű a legutóbbi időkig.

A Messier 87 galaxis közepét uraló fekete lyukról készített történelmi felvétel

Fotó: EHT

A sajtótájékoztató élő közvetítése:

Felfokozott várakozások

Már egy hete erre készül mindenki. Sőt, még korábban: már hónapokkal ezelőtt világszerte cikkek születtek azokról a pletykákról, hogy mikor fogja nyilvánosságra hozni az EHT-t működtető nemzetközi kutatási konzorcium a sajtótájékoztató dátumát. A várható felfedezés nem maradhatott ki azokból az összefoglalókból, amelyekben a 2019-re várható tudományos áttöréseket próbálták megjövendölni. Az Európai Kutatási Tanács és a projektet összefogó Európai Déli Obszervatórium a szokásokkal ellentétben semmit sem küldött ki előzetesen az újságíróknak, bár az amerikai partner, az Országos Tudományos Alapítvány (NSF) elkottyantotta magát, amikor a sajtótájékoztatót beharangozó hírnek ezt a címet adta: “Teleszkópok globális hálózata azon dolgozott, hogy a világon először lencsevégre kapjon egy fekete lyukat”.

Mindezt egyetlen kép miatt, amelynek várható minősége a mozikban látható feketelyuk-ábrázolásokhoz képest megmosolyogtatónak tűnt. Természetesen senki sem várhatta, hogy full HD minőségű fotókat fogunk látni, hiszen az EHT által megcélzott fekete lyukak olyan távoliak, hogy egyikük, a Sagittarius A* árnyékának szélességét legfeljebb 50 mikroívmásodpercnek várták. Egy ívmásodperc a fok 1/3600-ad része, a mikroívmásodperc pedig ennek az egymilliomod része.

Ez nagyjából olyan kicsi, mint az ennek a mondatnak a végén látható pont fele, ha a Holdról néznénk.

Ennek ellenére a nyilvánosságra hozott kép minden túlzás nélkül lélegzetelállító. Hiszen lefényképezték a lefényképezhetetlent.

Einstein izgulhatott

A fekete lyukról készített kép fényesen igazolja az általános relativitáselmélet predikcióit. Korábban igazából a kutatók sem tudták biztosan, hogy mit kell látniuk, ha egy fekete lyukba néznek. A Harvard Egyetem kutatója, Avi Loeb így foglalta össze várakozásait:

Mi a fekete lyuk árnyékát próbáljuk lefotózni. De ez teljesen más, mint az átlátszatlan testek árnyéka, mert a fekete lyuk nem egyszerűen átlátszatlan, hanem egyenesen elnyeli a fényt. Emiatt a sötét belső terület körül félholdszerű fénycsíkokat kéne látnunk.

A félholdszerű fényjelenséget még Einstein speciális relativitáselmélete jósolta meg, amelynek értelmében a felénk mozgó anyag fényesebbnek, míg a tőlünk távolodó objektumok halványabbnak tűnnek számunkra. Ahogy a fekete lyuk környezetéből egyre gyorsabban zuhan felé az anyag, az felizzik, és jellegzetes fényt bocsát ki. A legfalánkabb fekete lyukat (pontosabban környezetük) - a nevükre rácáfolva - emiatt fényesebbek, mint a hozzájuk közel keringő csillagok. Emellett Loeb abban is reménykedett, hogy talán láthatjuk, ahogy a fekete lyuk döbbenetes gravitációs tere hogyan hajlítja el maga körül a fényt.

A fekete lyukak kitüntetett helyet foglalnak el a tudományos képzeletben, hiszen egészen mostanáig nem láttuk őket közvetlenül, így - a szó laikus értelmében - „nem is voltak felfedezve igazán”. Egy olyan nagy tömegű objektum, amelyből még a fény sem tud elszökni, a szó szoros és átvitt értelmében is rabul ejti az embert, és a létezését alátámasztó megannyi közvetett bizonyíték dacára sem képes elhinni mindaddig, míg a saját szemével nem látja.

Az eseményhorizont [a fekete lyuk pereme, azon tér határa, ahonnan már nincs visszatérés], amely eddig a tudományos mitológia része volt, most bizonyos értelemben valósággá válik. Amit látunk, azt elhisszük

- fogalmazta ezt meg Heino Falcke, a holland Radboud Egyetem kutatója, a konzorcium részese. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a fekete lyukak léte tudományos értelemben eddig ne lett volna bizonyított. Már 1915-ben felvetette létezésüket Karl Schwarzchild asztrofizikus, mint az általános relativitáselmélet lehetséges megoldását. A fekete lyukak hatását már számtalanszor detektálták a csillagászok. A szupernehéz fekete lyukat vonzzák a galaxisok közepe felé a körülöttük keringő csillagokat. Amikor beléjük zuhan a környezetükben lévő anyag, időnként detektálható, szinte fénysebességgel száguldó plazmaáramok (jetek) indulnak el felőlük. Néhány éve pedig a LIGO együttműködés két egymás körül keringő fekete lyuk keltette

gravitációs hullámot fedezett fel, amely nem más, mint afféle ráncolódás a téridő szövetében.

A ERC animációja, amely segít elképzelnünk, hogy merre kellene keresnünk a M-87 fekete lyukat az égen, és milyen aprónak is tűnik

Bár a fekete lyukakról - ellenállhatatlan tömegvonzásuk okán - az a kép él az emberekben, hogy rendkívül nagyok, valójában tehát rendkívül kicsik az égen. Ahhoz, hogy le lehessen őket fotózni, akkora teleszkópra volt szükség, mint maga a Föld. Az Eseményhorizont Teleszkóp azonban teljesítette ezt a feltételt. Az EHT valójában nem egy távcső, hanem a világ számos pontján elszórt, szinkronizáltan működő létesítmények csoportja. A ma nyilvánosságra hozott eredmények 2017-ből származnak, amikor az Egyesült Államokban, Chilében, Spanyolországban, Mexikóban és az Antarktiszon működő teleszkópok dolgoztak együtt a cél érdekében.

Föld-átmérőjű teleszkóp

Az EHT beüzemelésekor a kutatók azt ígérték, hogy ez lesz az az eszköz, amely nemcsak a galaxisunk közepén lévő szupernehéz fekete lyukat lesz képes lefotózni, de egyszerre segíti majd az univerzumot igazgató legnagyobb és legkisebb erők működésének megértését. 2017. április 5. és 14. között az EHT teleszkópjait a Tejútrendszer központjában elhelyezkedő Sagittarius A* fekete lyuk felé irányították. Ahhoz ugyanis, hogy a fekete lyuk irányából érkező temérdek rádióhullám közül kiszűrjék azokat, amelyek valóban a Sagittarius A* közvetlen környezetéből erednek, az Európában, Amerikában és a Déli-sarkon működő létesítmények teljes kapacitására - no és rengeteg számítási teljesítményre - szükség volt. Az adatok elemzésére és a fotó létrehozására még egy szuperszámítógépnek is két évre volt szüksége.

Az EHT-ben résztvevő obszervatóriumok globális hálózata

Fotó: ESO

A szupernehéz fekete lyukakat por- és gázfelhő veszi körbe, amelyen a hagyományos rádióteleszkópok nem képesek átlátni. Az EHT együttesen azonban igen, miközben a hálózatba kapcsolt obszervatóriumok összesített felbontása is sokszorosára, akár hat nagyságrenddel is növelhető. A mai bejelentés bebizonyította, hogy

ez a megközelítés egyértelműen alkalmas a fekete lyukak közvetlen megfigyelésére.

Az EHT állomásai az úgynevezett nagyon hosszú bázisvonalú interferometria eljárást használják működésük során. Amikor úgy hivatkoznak az EHT egészére, mint egy nagy teleszkópra, az sokkal több puszta metaforánál. A mérési technológia ténylegesen olyan elveken alapszik, amelyek az egymástól sok ezer kilométerre elhelyezkedő obszervatóriumok felvételeinek kombinálásával valóban olyan virtuális teleszkópot hoz létre, amelynek effektív átmérője akkora, mint az egész bolygó. A teleszkóprendszer már 2006 óta működik, az évek során egyre több obszervatórium csatlakozott az együttműködéshez.

7 000 000 gigabájt

A történelmi jelentőségű, 2017 áprilisi méréssorozat adatainak elemzését az hátráltatta, hogy az együttműködésben alapvető szerepet játszó Déli-sarki Teleszkóp éppen zárva volt az ottani tél miatt (ami elég kemény tud lenni), így az adatok beérkezésére az év decemberéig várni kellett. Az adatok nem interneten keresztül érkeztek a Massachusetsi Műszaki Egyetem (MIT) Haystack obszervatóriumába, illetve a Max Planck-Társaság Rádiócsillagászati Intézetébe, Bonnba, hanem a

jól bevált oldschool módon: merevlemezeken, repülőgéppel. Itt ugyanis petabájtos nagyságrendű adatmennyiségekről van szó.

A megpróbáltatásokat a hétköznapi winchesterek azonban nehezen viselnék. Amikor például tesztelték a rendszert, és a mexikói Sierra Negra kialudt vulkán tetején lévő egyik teleszkóp adatait próbálták sima merevlemezeken szállítani, a 32 tesztelt eszközből 28 csődöt mondott. Az egyik kutató elmondta, hogy olyan alacsony volt a légnyomás, hogy a winchester írófeje folyton nekiütközött a lemezeknek. Ezért héliummal töltött merevlemezegységeket használtak, amelyek a biztonságos működés mellett nagyobb kapacitással (8 terabájttal) rendelkeztek, mint hagyományos társaik.

Az EHT adatfeldolgozásának sémája. A rádióteleszkópok által érzékelt jeleket helyben konvertálják, majd atomórákkal hangolják össze. Ezután az adatokat repülőn szállítják az amerikai és a német adatközpontokba, ahol korreláltatják őket egymással, és kihámozzák belőlük a képet.

Fotó: ESO

A tárhely pedig alapvető fontosságú volt, hiszen egy tipikus, ötnapos mérési ciklus során az EHT teleszkópjai 64 Gbps felbontással összesen 900 terabájt adatot gyűjtenek. Az adatot ezután 1-2000 winchesterre mentik ki, és a teljes hálózat által előállított adatmennyiség eléri a 7 petabájtot. A biztonságosan célba ért adatokat ezután egy 800 CPU-ból épített szuperszámítógéppel elemezték.

És így sem ment túl gyorsan.

És akkor mi van?

Végül sikerült. Tehát újabb Windows-háttérképekkel lettünk gazdagabban. Van egyéb hozadéka is e felfedezésnek? A fotó (az az elkövetkező felvételek) nem csak dekoratívak, de rengeteget elárulnak majd a fekete lyukak eredetéről, fejlődésükről, illetve arról, hogy a fizikai törvények hogyan működnek a közvetlen környezetükben. A lyuk körül látható fénygyűrű pontos alakja (amely tehát az általános relativitáselmélet értelmében félhold alakú) például segíthet eldönteni, hogy az egymással nehezen (vagy inkább sehogy sem) összeegyeztethető kvantumelmélet és a relativitáselmélet közül melyik áll nyerésre. A fizikusok szerint az extrém erős gravitációs mezővel rendelkező fekete lyukak tekinthetők a tökéletes kísérleti terepnek a két teória összeeresztéséhez.

Ha ilyen körülmények között is kitart az általános relativitáselmélet, akkor ez nagyon erős érv lesz mellette.

Pedig sok alternatív forgatókönyv elképzelhető. Lia Medeiros, a Tucsoni Arizonai Egyetem kutatója és munkatársai számítógépesen szimulálta a fekete lyuk környezetében ható elképzelhető folyamatokat, és 12 ezer különböző fénygyűrűformát konstruált, amelyek mindegyike eltér az Einstein elmélete alapján várhatótól.

Ha [a fénygyűrű alakja] bármily módon is különbözik, azzal az alternatív gravitációelméletek kapták meg azonnal a karácsonyi ajándékukat

- mondta Medeiros. Ugyancsak a relativitáselmélet helytállóságát bizonyítaná, ha a fekete lyuk környezetében olyan pulzárra lelnének, amelynek metronómszerű felvillanásait a fekete lyuk gravitációs tere összezavarná. A zavarás mértékének detektálásával egészen pontos tesztnek vethetnék alá a relativitáselméletet. Ezen a téren egyébként eddig Einstein állt nyerésre, ugyanis a Sagittarius A* környezetében tavaly már felfedezték a gravitációs vöröseltolódást (a nagy gravitáció következtében a fény a nagyobb hullámhosszú tartomány felé tolódik el), amely igazodott az általános relativitáselmélet predikcióihoz.

Az lenne tehát az igazán nagy dolog, ha találnának pulzárt elég közel a Sagittarius A*-hoz. Ez eddig sajnos nem sikerült, talán a fekete lyukat körülvevő gáz- és porfelhő zavaró hatása miatt. Az Eseményhorizont Teleszkóp minden eddiginél nagyobb felbontása azonban talán megoldást nyújthat e problémára is.

A Medeiros és munkatársai által szimulált fekete lyukak kinézete

Egy újabb megoldatlan rejtély, hogy miként keltenek a fekete lyukak hatalmas, szinte fénysebességgel közlekedő anyagáramokat. A fekete lyukak sem egyformák, amely viselkedésükben és nagyságukban is megnyilvánul. Míg a Sagittarius tömege alig 4 milliószorosa a Napénak, az EHT másik célpontja (amelynek fényképét most nyilvánosságra hozták), az Messier-87 (M87) jelű fekete lyuk tömege ennél jó ezerszer nagyobb. Utóbbi környezetében 5000 fényév hosszú, fényes, töltött részecskékből álló jet is látható.

Nem tudjuk igazán, hogy az egyik miért különbözik ilyen jelentősen a másiktól.

Elismerik a kutatók, hogy első hallásra ellentmondásnak tűnhet, hogy egy nagy fekete lyuk, amelyről azt mantrázza mindenki, hogy mindent elnyel, emellett hatalmas jetek kilövellését is előidézi. Ezek között vannak olyanok, amelyek több milliárd fényév távolságra is kinyúlnak a fekete lyukból, és ezzel nagyobbak, mint más galaxisok. Azt várják az EHT felvételeitől, hogy fellebbenti majd a fátylat erről a rejtélyről is.