Astronomowie zdołali poprawić poziom szczegółowości Event Horizon Telescope i w obserwacjach testowych osiągnęli najwyższą rozdzielczość, jaką kiedykolwiek uzyskano z powierzchni Ziemi, wykrywając światło z centrów odległych galaktyk na częstotliwości około 345 GHz. Badacze przekonują, że dzięki temu przyszłe obrazy czarnych dziur będą o 50 proc. wyraźniejsze.
Event Horizon Telescope (EHT) to sieć radioteleskopów rozsianych po całym świecie, które pracują na falach milimetrowych i submilimetrowych. Razem tworzą teleskop o rozmiarach Ziemi. Dzięki wykorzystaniu techniki zwanej interferometrią wielkobazową (Very Long Baseline Interferometry - VLBI), dane odbierane przez niezależne radioteleskopy zapisywane są razem, co ułatwia ich późniejszą analizę.
Event Horizon Telescope jest niezwykle czułym instrumentem. Pozorny rozmiar czarnej dziury na niebie jest mniejszy niż 100 milionowych części stopnia, co odpowiada rozmiarom piłki tenisowej na Księżycu widzianej z Ziemi. Ale EHT poradził sobie z tym i dzięki niemu oraz naukowcom zaangażowanym w projekt mogliśmy po raz pierwszy zobaczyć czarną dziurę. W 2019 roku astronomowie zaprezentowali obraz supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87 (więcej na ten temat w tekście: Zaprezentowano pierwszy w historii obraz czarnej dziury). Trzy lata później pokazali supermasywną czarną dziurę Sagittarius A*, znajdującą się w centrum Drogi Mlecznej (więcej w tekście: Naukowcy pokazali pierwszy w historii obraz czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej). W projekcie ETH uczestniczy ponad 200 naukowców z całego świata, także z Polski.
Obrazy czarnych dziur z M87 oraz z Drogi Mlecznej były wykonane na niższej częstotliwości 230 GHz. Nowe osiągnięcia sprawią, że przyszłe obrazy czarnych dziur będą nie tylko wyraźniejsze, ale też zyskają wielobarwne widoki regionów otaczających te masywne obiekty. Częstotliwość 345 GHz odpowiada długości fali 0,87 mm. 230 GHz odpowiada długości fali 1,3 mm.
Wyniki oraz rezultaty prac zostały opublikowane w „The Astronomical Journal” (DOI: 10.3847/1538-3881/ad5bdb).
Chociaż nie możemy zobaczyć samej czarnej dziury, krążąca wokół niej materia rozgrzana do wysokich temperatur oświetla nieco ten obszar, co na wykonanych dotychczas obrazach pozwoliło ujawnić charakterystyczną sygnaturę: ciemny obszar centralny (cień) otoczony jasną strukturą przypominającą pierścień.
- Dzięki EHT zobaczyliśmy pierwsze obrazy czarnych dziur, wykrywając fale radiowe o częstotliwości 230 GHz, ale jasny pierścień, który widzieliśmy, utworzony przez zakrzywienie światła w grawitacji czarnej dziury, nadal był rozmazany, ponieważ byliśmy na absolutnych granicach ostrości obrazów - powiedział Alexander Raymond z NASA Jet Propulsion Laboratory, współautor publikacji. - Przy częstotliwości 345 GHz nasze obrazy będą ostrzejsze i bardziej szczegółowe, co z kolei prawdopodobnie ujawni nowe właściwości, zarówno te, które zostały wcześniej przewidziane, jak i być może niektóre, które nie zostały - dodał.
Aby uzyskać obrazy o wyższej rozdzielczości z ETH, astronomowie mogli zwiększyć odległość między antenami radiowymi lub obserwować przy wyższej częstotliwości. Ponieważ EHT miał już rozmiar naszej planety, zwiększenie rozdzielczości obserwacji naziemnych wymagało rozszerzenia zakresu częstotliwości. I to właśnie zrobili naukowcy zaangażowani w projekt EHT.
Pryzmat rozszczepia światło na tęczę kolorów, ponieważ różne długości fal światła przemieszczają się przez niego z różną prędkością. Grawitacja wygina światło w podobny sposób. Einstein przewidział, że rozmiar pierścieni widzianych przez EHT powinien być podobny zarówno przy 230 GHz, jak i 345 GHz, ale gorący gaz wirujący wokół czarnych dziur będzie wyglądał inaczej przy tych dwóch częstotliwościach.
- Aby zrozumieć, dlaczego jest to przełom, należy rozważyć eksplozję dodatkowych szczegółów, jaką otrzymujemy przechodząc ze zdjęć czarno-białych na kolorowe. Ta nowa „wizja kolorów” pozwala nam rozdzielić efekty grawitacji od gorącego gazu i pól magnetycznych, które zasilają czarne dziury - powiedział Sheperd „Shep” Doeleman, dyrektor EHT.
To pierwszy raz, kiedy technika VLBI została pomyślnie użyta przy częstotliwości 345 GHz. Możliwość obserwacji nocnego nieba za pomocą pojedynczych teleskopów przy 345 GHz istniała już wcześniej, ale użycie techniki VLBI przy tej częstotliwości od dawna stanowiło wyzwania, których pokonanie wymagało czasu i postępu technologicznego.
Para wodna w atmosferze pochłania fale przy 345 GHz znacznie bardziej niż przy 230 GHz, osłabiając sygnały z czarnych dziur przy wyższej częstotliwości. Kluczem było zwiększenie czułości EHT, co naukowcy zrobili zwiększając przepustowość instrumentów i czekając na dobrą pogodę we wszystkich miejscach.
- Najlepsze miejsca obserwacyjne na Ziemi znajdują się na dużych wysokościach, gdzie przejrzystość i stabilność atmosfery są optymalne, ale pogoda może być niepomyślna — powiedział Nimesh Patel z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. - Teraz, dzięki systemom o dużej przepustowości, które przetwarzają i przechwytują szersze pasma widma radiowego, zaczynamy pokonywać podstawowe problemy z czułością, takie jak pogoda. Nadszedł właściwy czas, aby przejść do 345 GHz — dodał.
- Udane obserwacje EHT na częstotliwości 345 GHz to ważny kamień milowy w nauce – powiedziała Lisa Kewley, dyrektor Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. - Przesuwając granice rozdzielczości, osiągamy bezprecedensową klarowność obrazowania czarnych dziur, którą obiecaliśmy na początku i ustanawiamy nowe, wyższe standardy możliwości naziemnych badań astrofizycznych - dodała.
Planowany jest projekt EHT nowej generacji (ngEHT). Badacze zamierzają dodać nowe anteny do EHT w zoptymalizowanych lokalizacjach geograficznych i ulepszyć istniejące stacje, modernizując je wszystkie, aby działały na wielu częstotliwościach od 100 GHz do 345 GHz w tym samym czasie.
Źródło: ESO, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, fot. ESO/M. Kornmesser/ CC-BY
