Live τώρα    
23°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Ελαφρές νεφώσεις
23 °C
21.1°C25.3°C
3 BF 46%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Αίθριος καιρός
23 °C
20.2°C24.2°C
2 BF 48%
ΠΑΤΡΑ
Αίθριος καιρός
19 °C
18.8°C21.0°C
3 BF 64%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Σποραδικές νεφώσεις
22 °C
19.3°C21.8°C
2 BF 68%
ΛΑΡΙΣΑ
Αίθριος καιρός
25 °C
24.5°C24.5°C
3 BF 40%
Η πρώτη εικόνα μιας μελανής οπής
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Η πρώτη εικόνα μιας μελανής οπής

Το μεγαλύτερο επιστημονικό γεγονός του 2019 και, ενδεχομένως, ένα από τα σημαντικότερα των τελευταίων ετών, είναι η απεικόνιση, για πρώτη φορά, του περιβάλλοντος μιας υπερμεγέθους μελανής οπής. Η φωτογραφία είναι αποτέλεσμα της εντατικής εργασίας της κοινοπραξίας του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων (Event Horizon Telescope, EHT), μιας διεθνούς συνεργασίας ανάμεσα σε επιστήμονες ανά την υφήλιο, η οποία περιλαμβάνει ραδιοτηλεσκόπια που βρίσκονται στην Ευρώπη, την Αμερική και την Ανταρκτική. Το EHT είναι ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα ομαδικής δουλειάς στην οποία συμμετείχαν περισσότεροι από διακόσιους επιστήμονες, προερχόμενοι από είκοσι χώρες και πενήντα εννέα ερευνητικά ινστιτούτα. Πρόκειται για ένα πρόγραμμα πραγματικά πλανητικής κλίμακας.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν σε έξι εργασίες στο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal Letters και είναι ανοιχτής πρόσβασης. Οι έξι εργασίες περιγράφουν με λεπτομέρεια όλα τα στάδια λήψης και επεξεργασίας των μετρήσεων, τη λειτουργία των εγκαταστάσεων που αποτελούν το EHT, τη δημιουργία των μοντέλων εκπομπής ραδιοκυμάτων από το περιβάλλον των υπερμεγεθών μελανών οπών, την προσαρμογή τους στις παρατηρήσεις και την εξαγωγή των φυσικών παραμέτρων της μελανής οπής στο κέντρο του γαλαξία Μ87 από τις παρατηρήσεις.

Μελανές οπές ή μαύρες τρύπες. Ένας αιώνας ιστορίας

Μια μαύρη τρύπα είναι ένα σώμα με τόσο ισχυρή βαρύτητα που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από αυτό. Αυτό προϋποθέτει μια τεράστια ποσότητα μάζας «στριμωγμένη» σε πολύ μικρό χώρο, ώστε να δημιουργείται γύρω του ένα τρομακτικά ισχυρό βαρυτικό πεδίο. Η θεωρητική πρόβλεψη ενός τέτοιου αντικειμένου έγινε από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας περισσότερο από έναν αιώνα πριν. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, ένα πολύ ισχυρό βαρυτικό πεδίο μπορεί να καμπυλώσει σε τέτοιο βαθμό τον χωρόχρονο στο περιβάλλον μιας μελανής οπής, με αποτέλεσμα η διαδρομή που ακολουθεί το φως να είναι τόσο καμπυλωμένη ώστε, πρακτικά, το φως δεν μπορεί να ξεφύγει. Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει ότι οι μελανές οπές είναι τεράστιες ρουφήχτρες που απορροφούν τα πάντα γύρω τους. Το πεδίο βαρύτητας που δημιουργούν, αν και τεράστιο, φθίνει με την απόσταση, με αποτέλεσμα σε πολύ μακρινές αποστάσεις από αυτές να μην προκαλούν καμία μεταβολή. Σε μια ακτίνα, όμως, που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, κανένα αντικείμενο δεν ξεφεύγει από τη βαρυτική έλξη μιας μαύρης τρύπας, ενώ το φως που δεν έχει μάζα μπορεί να «ξεφύγει» από αυτή έξω από μια περιοχή που ονομάζεται ακτίνα ή σφαίρα φωτονίων. Πάνω σε αυτή την οριακή επιφάνεια, τα φωτόνια εκτρέπονται από τη μελανή οπή με τέτοιο τρόπο ώστε να κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από αυτή, σχηματίζοντας έναν φωτεινό δακτύλιο.

Σήμερα πιστεύουμε ότι μελανές οπές υπάρχουν σε διάφορα μεγέθη στο Σύμπαν. Οι πιο μεγάλοι σε μάζα αστέρες τελειώνουν τη ζωή τους καταλήγοντας να γίνουν αστρικές μελανές οπές, η ύπαρξη των οποίων αποδεικνύεται από τις πρόσφατες παρατηρήσεις των βαρυτικών κυμάτων και από παρατηρήσεις εκπομπής ακτίνων Χ. Επίσης, πιστεύουμε ότι υπάρχουν υπερμεγέθεις μελανές οπές στο κέντρο των γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου και του δικού μας Γαλαξία. Εκεί τροφοδοτούν τους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (Active Galactic Nuclei, AGN), δηλαδή τις κεντρικές περιοχές των γαλαξιών, οι οποίες ξεπερνούν σε λαμπρότητα όλους τους αστέρες που αυτοί περιέχουν.

Το Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων

Η ικανότητα ενός τηλεσκοπίου να διακρίνει μια συγκεκριμένη έκταση εξαρτάται από τη διάμετρό του. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος του τηλεσκοπίου τόσο μικρότερα αντικείμενα μπορούμε να εντοπίσουμε. Παρ’ όλο που οι υπερμεγέθεις μελανές οπές είναι τεράστιες σε μάζα (εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από ένα μεσαίο αστέρι), η ακτίνα φωτονίων και, συνεπώς, ο ορίζοντας γεγονότων τους είναι πολύ μικρά σε έκταση. Για να έχουμε τη δυνατότητα να απεικονίσουμε την περιοχή αυτή, χρειαζόμαστε ένα τηλεσκόπιο με διάμετρο όσο περίπου αυτή της Γης. Φυσικά, τόσο μεγάλα τηλεσκόπια είναι αδύνατο να κατασκευαστούν προς το παρόν. Τη λύση, όμως, σε αυτό το πρόβλημα έρχεται να δώσει το EHT.

Η ιδέα πίσω από το εγχείρημα είναι ότι μπορούμε να συντονίσουμε τα ήδη υπάρχοντα ραδιοτηλεσκόπια ανά την υφήλιο με τέτοιο τρόπο ώστε να αποδίδουν σαν ένα τεράστιο τηλεσκόπιο με μέγεθος όσο η Γη μας. Για να καταφέρουν να λειτουργήσουν με την απαραίτητη ακρίβεια, τα τελευταία χρόνια έπρεπε να γίνουν μια σειρά από αναβαθμίσεις στα όργανα των ραδιοτηλεσκοπίων. Τελικά, η διακριτική ικανότητά του EHT είναι κατά 1 εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη του ανθρώπινου οφθαλμού, δηλαδή θα μπορούσε να εντοπίσει ένα αντικείμενο τόσο μικρό όσο ένα φρούτο στην επιφάνεια της Σελήνης!

Tο πρώτο δεκαπενθήμερο του Απριλίου του 2017 οι καιρικές συνθήκες στη Χαβάη, την Αριζόνα, στο Μεξικό, στη Χιλή, την Ισπανία και την Ανταρκτική ήταν τόσο καλές ώστε να επιτρέπουν την ταυτόχρονη παρατήρηση του γαλαξιακού πυρήνα του Μ87. Μετά τον απαραίτητο συντονισμό, η ομάδα είχε τελικά τη δυνατότητα να συγκεντρώσει παρατηρήσεις αρκετών ωρών στις 5, 6, 10 και 11 Απριλίου. Στη συνέχεια, οι σκληροί δίσκοι με τα, τεράστια σε όγκο, δεδομένα προς επεξεργασία (της τάξης των εκατομμυρίων gigabyte) συγκεντρώθηκαν στο Haystack Observatory της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ και στο Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας Max Planck της Βόννης στη Γερμανία ώστε να συνδυαστούν, με τη βοήθεια υπερυπολογιστών, για να σχηματιστούν οι πολυπόθητες εικόνες.

Όταν τα κύματα συναντιούνται

Η τεχνική της συμβολομετρίας, η οποία χρησιμοποιείται στη Ραδιοαστρονομία, στηρίζεται στο φαινόμενο της συμβολής των κυμάτων. Φανταστείτε δύο κυματισμούς που συναντιούνται. Οι κυματισμοί αυτοί αποτελούνται από διαδοχικά όρη και κοιλάδες που εναλλάσσονται καθώς το κάθε κύμα ταξιδεύει. Όταν μια κοιλάδα του ενός κύματος συναντήσει ένα όρος του άλλου, τότε το ένα κύμα μπορεί να εξουδετερώσει το άλλο, ενώ, αν ένα όρος του ενός συναντήσει ένα όρος του άλλου, τότε το τελικό κύμα θα είναι ενισχυμένο. Στην πράξη, όταν τα δύο αυτά κύματα συναντιούνται, εμφανίζονται όλες οι ενδιάμεσες καταστάσεις. Αυτό που παρατηρούμε είναι ένα μοτίβο από περιοχές όπου το σήμα είναι ενισχυμένο να εναλλάσσονται με περιοχές όπου το σήμα είναι μηδενικό. Από το μοτίβο αυτό μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση των πηγών του κάθε κυματισμού.

Μια ραδιοπηγή εκπέμπει ραδιοκύματα από όλη της την έκταση και τα κύματα αυτά συμβάλλουν καθώς διαδίδονται σχηματίζοντας το δικό τους χαρακτηριστικό μοτίβο. Χρησιμοποιώντας περισσότερα από ένα ραδιοτηλεσκόπια, μπορούμε να συνδυάσουμε το σήμα που εντοπίζει το καθένα με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουμε μια εκτίμηση της διάστασης της ραδιοπηγής και, υπό προϋποθέσεις, να ανακατασκευάσουμε την εικόνα της. Υπάρχουν, ωστόσο, τεχνικές δυσκολίες και η μέθοδος απαιτεί μεγάλη ακρίβεια. Θα πρέπει να γνωρίζουμε με ακρίβεια χιλιοστού τις θέσεις των ραδιοτηλεσκοπίων που χρησιμοποιούνται. Η ίδια η περιστροφή της Γης εισάγει άλλον ένα παράγοντα αβεβαιότητας, επειδή έχει ως αποτέλεσμα να αλλοιώνονται με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο οι παρατηρήσεις που συλλέγονται σε διαφορετικά σημεία.

Από τις παρατηρήσεις στις εικόνες και τις μετρήσεις

Η εξαγωγή μετρήσεων, εικόνων ή συμπερασμάτων από περιορισμένη πληροφορία είναι κατεξοχήν πρακτική στην Αστροφυσική, στηρίζεται σε αυστηρές μαθηματικές αρχές και απαιτεί μεγάλη υπολογιστική ακρίβεια. Αυτό που συνήθως προσπαθούν να κάνουν οι επιστήμονες είναι να διαπιστώσουν προηγουμένως ποιες είναι αυτές οι παρατηρήσεις που μπορούν να τους επιτρέψουν να εφαρμόσουν αυτές τις τεχνικές, κάτι που έγινε κατά την προπαρασκευαστική φάση του ΕΗΤ.

Καθένα από τα ραδιοτηλεσκόπια του EHT που χρησιμοποιήθηκαν για τις παρατηρήσεις του Μ87 συνέλεξε ένα κομμάτι της ακτινοβολίας που εκπέμπει ο γαλαξιακός πυρήνας. Κατά κάποιον τρόπο, είναι σαν να έχουμε στη διάθεσή μας κάποιες ψηφίδες του πεδίου ακτινοβολίας και η πρόκληση ήταν πώς θα ανακατασκευαστεί η εικόνα του γαλαξιακού πυρήνα χρησιμοποιώντας τα καταγεγραμμένα τμήματα. Για την κατασκευή της εικόνας χρησιμοποιήθηκαν ειδικοί αλγόριθμοι απεικόνισης οι οποίοι βασίζονται σε μια σειρά από ελεύθερες παραμέτρους. Αυτές θα μπορούσαν εν γένει να οδηγήσουν σε χιλιάδες διαφορετικές εικόνες, οι οποίες θα ταίριαζαν με τις αρχικές παρατηρήσεις. Προκειμένου να καταλήξει σε ένα όσο το δυνατόν αντικειμενικότερο και ανεπηρέαστο αποτέλεσμα, η ομάδα των επιστημόνων αποφάσισε αρχικά να επεξεργαστούν τα δεδομένα τέσσερις ομάδες ανεξάρτητα, χωρίς να κοινοποιήσουν τα αποτελέσματά τους. Η χαρακτηριστική εικόνα ενός φωτεινού δακτυλίου με φωτεινότερο το χαμηλότερο τμήμα του προέκυψε από την εργασία και των τεσσάρων ομάδων. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες ώστε από ένα σύνολο παραμέτρων να κατασκευαστούν μερικές χιλιάδες πιθανές εικόνες. Οι επιστήμονες ξεχώρισαν αυτές που ήταν περισσότερο συμβατές με τις παρατηρήσεις και σε μεγαλύτερη συμφωνία με τα θεωρητικά μοντέλα. Και πάλι κοινό χαρακτηριστικό όλων αυτών των εικόνων ήταν ο χαρακτηριστικός φωτεινός δακτύλιος της εικόνας. Τέλος, για κάθε μεθοδολογία επιλέχθηκε η εικόνα με την καλύτερη ταύτιση μεταξύ παρατηρήσεων και θεωρητικών μοντέλων και από αυτές δημιουργήθηκε η μέση εικόνα που δόθηκε στη δημοσιότητα. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε οδήγησε σε μια απεικόνιση η οποία είναι ανεξάρτητη των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν και μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση φυσικών ποσοτήτων για τη μελανή οπή στο κέντρο του Μ87.

Στη συνέχεια, η σύγκριση της εικόνας με θεωρητικά μοντέλα οδήγησε στον προσδιορισμό φυσικών παραμέτρων. Ο φωτεινός δακτύλιος αντιστοιχεί στον δακτύλιο εκπομπής φωτός γύρω από τη σκοτεινή μαύρη τρύπα, στης οποίας τη σκιά οφείλεται η σκοτεινή περιοχή στο κέντρο. Το κάτω μέρος του δακτυλίου είναι λαμπρότερο διότι το υλικό εκεί κινείται προς τον παρατηρητή. Η μάζα της μελανής οπής είναι περίπου εξήμισι δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου μας και η περιστροφή της είναι δεξιόστροφη.

Η σημασία της ανακάλυψης

Αυτά τα εξαιρετικής σημασίας αποτελέσματα δεν είναι μόνο το επιστέγασμα των προσπαθειών ενός πλανητικής κλίμακας προγράμματος, αλλά η αρχή μιας νέας εποχής στην κατανόησή του Σύμπαντος. Όπως συνέβη και με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, οι φωτογραφίες της μελανής οπής του Μ87 επιβεβαιώνουν την τωρινή μας γνώση για τη βαρύτητα, δηλαδή ότι η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας ισχύει στο περιβάλλον της μαύρης τρύπας. Τα αποτελέσματα αυτά αναμένεται να τροφοδοτήσουν περαιτέρω μελέτες στην Κοσμολογία και τη Φυσική Πλάσματος, ρίχνοντας φως στις ακραίες διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων.

Μεγάλη δημοσιότητα δόθηκε στη συμβολή στο πρόγραμμα μιας γυναίκας, της Katie Bouman, ενώ στη χώρα μας εκτενείς αναφορές έγιναν στη συμμετοχή και ενός Έλληνα επιστήμονα. Σε αυτές τις περιστάσεις έχει μεγάλη σημασία να κατανοούμε ότι δεν υπάρχει σημαντική επιστημονική εξέλιξη χωρίς αυτή να είναι προϊόν ομαδικής δουλειάς. Τα αποτελέσματα της διεθνούς κοινοπραξίας του ΕΗΤ, των ομάδων επιστημόνων του CERN και των πειραμάτων ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων αλλά και τα αποτελέσματα των μικρότερων ομάδων της επιστημονικής κοινότητας, για τα οποία δεν μαθαίνουμε καθημερινά νέα, το αποδεικνύουν. Η επιστήμη δεν προχωράει χωρίς ομαδική δουλειά και οι κοινότητες των επιστημόνων έχουν ανάγκη από όλους, ανεξαρτήτως φύλου, καταγωγής και οικονομικής κατάστασης. Σε αυτή τη δουλειά, όπως και σε όλες, πρέπει να έχουν όλοι ίσες ευκαιρίες.

Γιάννης Κοντογιάννης

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL