Vad svart hål bild säger oss

När forskare 'fotograferade' ett osynligt svart hål: bilden fångar området runt det, genererat från data som samlats in av en uppsättning teleskop, och ger en plattform för att förstå svarta hål bättre.

Första bilden någonsin av ett svart hål. Fångat av Event Horizon Telescope-projektet. (Bildkälla: National Science Foundation)

Svarta hål är tänkta att vara de mörkaste områdena i hela universum. Och ändå, när forskare förra veckan meddelade att de för första gången någonsin hade kunnat ta ett fotografi av ett svart hål, var bilden de avslöjade allt annat än mörk. Den verkade ljusorange och munkformad i vad som blev en av de mest cirkulerade bilderna under den senaste veckan. När ljus inte kan fly från ett svart hål, hur togs fotografiet till och vad är det som gör prestationen viktig?

Vad bilden visar

Huvudobjektet för fotografiet, ett svart hål beläget 55 miljoner ljusår från jorden, i mitten av en galax vid namn Messier 87, var begränsat till den lilla och mörka centrala kärnan av munkformen i bilden, identifierbar endast på grund av den ljusa omgivningen den var innesluten inom. Detta var det enda sättet som ett svart hål kunde ha fotograferats - genom att fånga hela området runt det. Det svarta hålet i sig självt avger eller strålar inte ut ljus, eller några andra elektromagnetiska vågor som kan upptäckas av instrument byggda av människor. Men området strax utanför gränsen för det svarta hålet - kallad händelsehorisont - som har enorma mängder gas, moln och plasma som virvlar våldsamt, avger alla typer av strålning, inklusive till och med synligt ljus.

Förklarat: Här är ett svart hål, och varför inget fotograferades tidigare

Utsidan av det svarta hålet var inte heller lätt att fotografera. Det svarta hålet i fråga hade en diameter på 1,5 ljusdagar, eller cirka 40 miljarder kilometer. Ringen utanför ett svart hål har vanligtvis 4 till 5 gånger större vidd. Men det mycket stora avståndet från jorden innebar att det inte var fysiskt möjligt att spela in något bättre än en bild i punktstorlek med tillgängliga instrument. Forskare hade beräknat att en bild med högre upplösning, som den de till slut kunde fånga, krävde ett teleskop vars antenn var lika stor som jorden själv.

Varför det spelar roll

James Altucher-familjen

Forskare har använt datorsimulerade bilder av svarta hål i flera år för att studera dessa regioner. För första gången har de en riktig bild. Även om de verkar ganska lika, kommer forskare nu att börja titta noga på den faktiska bilden för att se om den skiljer sig från de datorsimulerade bilderna i detaljerna, och om dessa skillnader kan förklaras av instrumentering, observation eller andra fel. Detta kan ge ett test för existerande teorier om universum och leda till en bättre förståelse av svarta hål och universums natur.

Att välja det svarta hålet

Det fanns ett alternativ till att fotografera det svarta hålet i M87-galaxen - att försöka fotografera ett svart hål som var mycket närmare. Det finns tusentals, möjligen miljoner, svarta hål mycket närmare jorden, men inte alla svarta hål kan vara en kandidat för att bli fotograferad. Forskare letade efter en viss storlek av svarta hål, tillräckligt stort för att kunna fångas av instrument som finns tillgängliga på jorden. Det svarta hålet i M87-galaxen är cirka 6 miljarder gånger solens storlek och ett av de största kända. Det finns inget svart hål av jämförbar storlek närmare jorden.

Läs | Bilden av ett svart håls händelsehorisont möjliggjordes av denna MIT-students arbete

Det fanns ändå en kandidat, i vår egen Vintergatans galax. Det svarta hålet Sagittarius A*, i mitten av Vintergatan, är cirka 4,3 miljoner gånger solens storlek och bara 25 000 ljusår från jorden. Den är cirka 2 000 gånger närmare jorden jämfört med den i M87-galaxen, men också cirka 1 500 gånger mindre. I skala erbjöd därför de två kandidatsvarta hålen liknande möjligheter att bli fotograferade.

Att ställa upp teleskopet

Ett teleskop i jordstorlek var inget som kunde göras tillgängligt. Så forskare var tvungna att ta fram geniala nya metoder för att övervinna begränsningarna hos sina instrument. De bestämde sig för att använda åtta av de största och mest sofistikerade radioteleskopen i världen och kopplade dem till en teknik som kunde få dem att fungera som ett virtuellt teleskop i jordstorlek. Teleskopen gjorde samtidiga inspelningar av strålningen som kom in från området med det svarta hålet. Var och en av teleskopen var utrustade med atomur så att deras inspelningar senare kunde matchas med extrem precision.

Läs också | Svart håls händelsehorisont: Så här ser det ut

De individuella teleskopen samlade vart och ett av strålningen som kom in från området med det svarta hålet. Men på grund av storleksbegränsningar hade de alla bara mycket begränsad information om det svarta hålet. Att matcha data som registrerats av vart och ett av dessa teleskop vid exakta tidpunkter gav forskarna lite mer information, men ingenting kunde göras åt den enorma mängd information som inte kunde fångas av dessa teleskop.

Bygga bild från data

Det är här som forskare tog hjälp av superdatorer för att återskapa hela bilden av det svarta hålet med den begränsade information som teleskopen hade fångat. Att bygga om hela bilder med begränsad data är inte ovanligt. De komprimeringstekniker som vi använder för att minska storleken på musik-, bild- eller videofiler på våra datorer fungerar enligt liknande principer. Vi slänger mycket information samtidigt som vi minskar storleken, men datorn kan fortfarande återskapa musiken eller videon, dock med viss kvalitetsförlust.

Naturligtvis var utmaningen för forskarna som arbetade med svarta hålsbilden mer komplicerad än teknikerna som användes för komprimering av filer. De hade en enorm mängd data att hantera, och ändå extremt begränsad information som erhölls direkt från strålningen. Inte överraskande, därför var de tvungna att skriva helt nya algoritmer, med hjälp av banbrytande metoder, för att återskapa bilden.

Som ett resultat kunde ett stort antal pixlar på det fotot som presenterades för världen ha genererats av datorn. Men de genererades med hjälp av informationen i pixlarna som var resultatet av direkt observation av teleskopen, snarare än att de producerades från matematiska modeller, som händer i datorsimulerade bilder.

Det tog två år för några av världens snabbaste superdatorer att bearbeta den enorma mängden data och återskapa bilden av det svarta hålet i M87-galaxen. Ett fotografi av det svarta hålet Sagittarius A* har ännu inte släppts, tydligen eftersom bilden ännu inte är klar.

Dela Med Dina Vänner: