Współpraca EHT przeprowadziła obserwacje testowe, osiągając najwyższą rozdzielczość, jaką kiedykolwiek uzyskano z powierzchni Ziemi.
Korzystając z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT), astronomowie osiągnęli obserwacje testowe interferometrii o bardzo długiej linii bazowej na częstotliwości 345 GHz, co stanowi najwyższą rozdzielczość takich obserwacji uzyskanych kiedykolwiek z powierzchni Ziemi. Naukowcy szacują, że przełom zaowocuje niezwykłym 50% wzrostem szczegółowości, wyostrzając obrazy i obserwacje czarnych dziur i otaczających je regionów.
W połączeniu z istniejącymi obrazami supermasywnych czarnych dziur w sercach M87 i Sgr A na niższej częstotliwości 230 GHz, te nowe wyniki nie tylko sprawią, że zdjęcia czarnych dziur będą o 50% wyraźniejsze, ale także pozwolą na uzyskanie wielobarwnych obrazów obszaru bezpośrednio poza granicami tych kosmicznych bestii.
Nowe odkrycia, których dokonali naukowcy z Centrum Astrofizyki Harvard & Smithsonian (CfA), w którego skład wchodzi Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), zostały opublikowane 27 sierpnia 2024 roku w The Astronomical Journal.
Dzięki EHT zobaczyliśmy pierwsze obrazy czarnych dziur, wykrywając fale radiowe o częstotliwości 230 GHz, ale jasny pierścień, który widzieliśmy, utworzony przez światło zakrzywiające się w grawitacji czarnej dziury, nadal wyglądał na rozmyty, ponieważ byliśmy na absolutnych granicach ostrości, jaką mogliśmy uzyskać obrazy – powiedział współautor artykułu Alexander Raymond z NASA-JPL. Przy częstotliwości 345 GHz nasze obrazy będą ostrzejsze i bardziej szczegółowe, co z kolei prawdopodobnie ujawni nowe właściwości, zarówno te, które były wcześniej przewidywane, jak i być może niektóre, które nie były przewidywane.
EHT tworzy wirtualny teleskop wielkości Ziemi, łącząc ze sobą wiele anten radiowych na całym świecie, wykorzystując technikę zwaną interferometrią bardzo długiej linii bazowej (VLBI). Aby uzyskać obrazy o wyższej rozdzielczości, astronomowie mają dwie możliwości: zwiększyć odległość między antenami radiowymi lub obserwować z wyższą częstotliwością. Ponieważ EHT był już wielkości naszej planety, zwiększenie rozdzielczości obserwacji naziemnych wymagało rozszerzenia jego zakresu częstotliwości i to właśnie zrobiono teraz w ramach współpracy EHT.
Aby zrozumieć, dlaczego jest to przełomowe odkrycie, należy wziąć pod uwagę ilość dodatkowych szczegółów, które uzyskuje się po przejściu z czarno-białych zdjęć na kolorowe – powiedział Shepard Doeleman, astrofizyk z CfA i SOA oraz dyrektor-założyciel EHT. To nowe „kolorowe widzenie” pozwala nam oddzielić efekty grawitacji wynikające z teorii Einsteina od gorącego gazu i pól magnetycznych, które zasilają czarne dziury i uruchamiają potężne strumienie, które płyną na galaktyczne odległości.
Pryzmat rozszczepia białe światło na tęczę kolorów, ponieważ różne długości fal światła poruszają się z różnymi prędkościami przez szkło. Jednak grawitacja zakrzywia całe światło w podobny sposób, więc teoria grawitacji Einsteina przewiduje, że rozmiar pierścieni widzianych przez EHT powinien być podobny zarówno przy 230 GHz, jaki i 345 GHz, podczas gdy gorący gaz wirujący wokół czarnych dziur będzie wyglądał inaczej przy tych dwóch częstotliwościach.
To pierwszy raz, kiedy technika VLBI została z powodzeniem wykorzystana na częstotliwości 345 GHz. Podczas gdy możliwość obserwacji nocnego nieba za pomocą pojedynczych teleskopów na częstotliwości 345 GHz istniała już wcześniej, wykorzystanie techniki VLBI na tej częstotliwości przez długi czas wiązało się z wyzwaniami, których pokonanie wymagało czasu i postępu technologicznego. Para wodna w atmosferze pochłania fale na częstotliwości 345 GHz znacznie bardziej niż na 230 GHz, osłabiając sygnały z czarnych dziur na wyższej częstotliwości. Kluczem było poprawienie czułości EHT, co naukowcy zrobili, zwiększając przepustowość instrumentów i czekając na dobrą pogodę we wszystkich miejscach.
Najpotężniejsze miejsca obserwacyjne na Ziemi znajdują się na dużych wysokościach, gdzie przejrzystość i stabilność atmosfery jest optymalna, ale pogoda może być bardziej dramatyczna – powiedział Nimesh Patel, astrofizyk w CfA i SAO oraz inżynier projektu SMA, dodając, że w SMA nowe obserwacje wymagały pokonania oblodzonych dróg w Maunakea, aby otworzyć matrycę przy stabilnej pogodzie po burzy śnieżnej z zapasem kilku minut. Teraz, dzięki systemowi o wysokiej przepustowości, które przetwarzają i przechwytują szersze zakresy widma radiowego, zaczynamy pokonywać podstawowe problemy związane z czułością, takie jak pogoda. Jak dowodzą nowe detekcje, nadszedł właściwy czas, aby przejść na częstotliwość 345 GHz.
Osiągnięcie to stanowi również kolejny krok na drodze do stworzenia wysokiej jakości filmów środowiska horyzontu zdarzeń otaczającego czarne dziury, które będą opierać się na ulepszeniach istniejącej globalnej matrycy. Planowany projekt EHT nowej generacji (ngEHT) doda nowe anteny do EHT w zoptymalizowanych lokalizacjach geograficznych i ulepszy istniejące stacje, modernizując je wszystkie do pracy na wielu częstotliwościach od 100 GHz do 345 GHz w tym samym czasie. W wyniku tych i innych modernizacji oczekuje się, że globalna matryca zwiększy ilość ostrych, wyraźnych danych, które EHT ma do obrazowania 10-krotnie, umożliwiając naukowcom nie tylko tworzenie bardziej szczegółowych i czułych obrazów, ale także filmów z udziałem tych gwałtownych kosmicznych bestii.
Udana obserwacja EHT na częstotliwości 345 GHz to kamień milowy w nauce – powiedziała Lisa Kewley, dyrektor CfA i SAO. Przesuwając granice rozdzielczości, osiągamy bezprecedensową przejrzystość w obrazowaniu czarnych dziur, którą obiecaliśmy na początku, i ustawiamy nowe i wyższe standardy możliwości naziemnych badań astrofizycznych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
CfA