Hvilket sort hul billede fortæller os
Når videnskabsmænd 'fotograferede' et usynligt sort hul: billedet fanger området omkring det, genereret fra data indsamlet af et sæt teleskoper og giver en platform til at forstå sorte huller bedre.
Det første billede nogensinde af et sort hul. Fanget af Event Horizon Telescope-projektet. (Billedkilde: National Science Foundation) Sorte huller formodes at være de mørkeste områder i hele universet. Og alligevel, da videnskabsmænd i sidste uge annoncerede, at de for første gang nogensinde havde været i stand til at fange et fotografi af et sort hul, var billedet, de afslørede, alt andet end mørkt. Det så lys orange og doughnut-formet ud i, hvad der blev et af de mest udbredte billeder i den sidste uge. Når lys ikke kan undslippe et sort hul, hvordan blev fotografiet opnået, og hvad gør præstationen vigtig?
Hvad billedet viser
Fotografiets hovedmotiv, et sort hul beliggende 55 millioner lysår fra Jorden, i centrum af en galakse ved navn Messier 87, var begrænset til den lille og mørke centrale kerne af doughnut-formen på billedet, som kun kan identificeres pga. de lyse omgivelser, den var indelukket i. Dette var den eneste måde, et sort hul kunne være blevet fotograferet - ved at fange hele området omkring det. Det sorte hul i sig selv udsender eller udstråler ikke lys eller andre elektromagnetiske bølger, der kan detekteres af instrumenter bygget af mennesker. Men området lige uden for grænsen af det sorte hul - omtalt som begivenhedshorisont - som har enorme mængder gas, skyer og plasma, der hvirvler voldsomt, udsender alle former for stråling, inklusive endda synligt lys.
Forklaret: Her er et sort hul, og hvorfor ingen blev fotograferet før
Ydersiden af det sorte hul var heller ikke let at blive fotograferet. Det pågældende sorte hul havde en diameter på 1,5 lysdage, eller omkring 40 milliarder kilometer. Ringen uden for et sort hul har normalt 4 til 5 gange større udstrækning. Men den meget store afstand fra Jorden betød, at det fysisk ikke var muligt at optage noget bedre end et billede i punktstørrelse med tilgængelige instrumenter. Forskere havde beregnet, at et billede med større opløsning, som det de endelig var i stand til at fange, krævede et teleskop, hvis antenne var lige så stor som Jorden selv.
Hvorfor det betyder noget
James Altucher kone
Forskere har brugt computersimulerede billeder af sorte huller i flere år til at studere disse områder. For første gang har de et egentligt billede. Selvom de ser ret ens ud, vil videnskabsmænd nu begynde at se nærmere på det faktiske billede for at se, om det adskiller sig fra de computersimulerede billeder i detaljerne, og om disse forskelle kan forklares ved instrumentering, observation eller andre fejl. Dette kan give en test for eksisterende teorier om universet og føre til en bedre forståelse af sorte huller og selve universets natur.
At vælge det sorte hul
Der var et alternativ til at fotografere det sorte hul i M87-galaksen - at prøve at fotografere et sort hul, der var meget tættere på. Der er tusinder, muligvis millioner, af sorte huller meget tættere på Jorden, men ikke alle sorte huller kunne være en kandidat til at blive fotograferet. Forskere ledte efter en bestemt størrelse sort hul, stor nok til at blive fanget af instrumenter tilgængelige på Jorden. Det sorte hul i M87-galaksen er omkring 6 milliarder gange Solens størrelse og en af de største kendte. Der er ikke noget sort hul af sammenlignelig størrelse tættere på Jorden.
Læs | Billedet af et sort huls begivenhedshorisont blev muliggjort af denne MIT-studerendes arbejde
Der var ikke desto mindre en kandidat i vores egen Mælkevejsgalakse. Det sorte hul Sagittarius A*, i centrum af Mælkevejen, er omkring 4,3 millioner gange Solens størrelse og kun 25.000 lysår fra Jorden. Den er omkring 2.000 gange tættere på Jorden sammenlignet med den i M87-galaksen, men også omkring 1.500 gange mindre. I skala tilbød de to kandidatsorte huller derfor lignende muligheder for at blive fotograferet.
Opsætning af teleskopet
Et teleskop i jordstørrelse var ikke noget, der kunne stilles til rådighed. Så videnskabsmænd måtte udtænke geniale nye metoder for at overvinde begrænsningerne ved deres instrumenter. De besluttede at bruge otte af de største og mest sofistikerede radioteleskoper i verden og kædede dem sammen med en teknik, der kunne få dem til at fungere som et virtuelt teleskop på størrelse med Jorden. Teleskoperne lavede samtidige optagelser af strålingen, der kom ind fra området med det sorte hul. Hvert af teleskoperne var udstyret med atomure, så deres optagelser senere kunne matches med ekstrem præcision.
Læs også | Sort huls begivenhedshorisont: Sådan ser det ud
De individuelle teleskoper opsamlede hver især strålingen, der kom ind fra området med det sorte hul. Men på grund af størrelsesbegrænsninger havde de alle kun meget begrænset information om det sorte hul. At matche dataene optaget af hvert af disse teleskoper på nøjagtige tidspunkter gav forskerne noget mere information, men der kunne ikke gøres noget ved den enorme mængde information, som ikke kunne fanges af disse teleskoper.
Opbygning af billede fra data
Det er her, at forskerne tog hjælp fra supercomputere til at genskabe det fulde billede af det sorte hul med den begrænsede information, som teleskoperne havde fanget. Det er ikke usædvanligt at genopbygge hele billeder med begrænset data. De komprimeringsteknikker, som vi bruger til at reducere størrelsen af musik-, billed- eller videofiler på vores computere, fungerer efter lignende principper. Vi smider en masse information væk, mens vi reducerer størrelsen, men computeren er stadig i stand til at genskabe musikken eller videoen, dog med et vist kvalitetstab.
Naturligvis var udfordringen for de videnskabsmænd, der arbejdede på billedet af det sorte hul, mere kompliceret end de teknikker, der blev brugt til komprimering af filer. De havde en enorm mængde data at forholde sig til, og alligevel ekstremt begrænset information, der var direkte hentet fra strålingen. Ikke overraskende måtte de derfor skrive helt nye algoritmer ved hjælp af banebrydende tilgange for at regenerere billedet.
Som et resultat kunne et stort antal pixels på det foto, der blev præsenteret for verden, være blevet genereret af computeren. Men de blev genereret ved hjælp af informationen i pixels, der var resultatet af direkte observation af teleskoperne, i stedet for at blive produceret ud fra matematiske modeller, som det sker i computersimulerede billeder.
Det tog to år for nogle af verdens hurtigste supercomputere at behandle den enorme mængde data og genskabe billedet af det sorte hul i M87-galaksen. Et fotografi af det sorte hul Sagittarius A* er endnu ikke frigivet, tilsyneladende fordi billedet endnu ikke er klar.
Del Med Dine Venner:
