_ Date noi , aceeași apariție pentru M87*

Aproape cinci ani în urmă, o echipă de astronomi care se întinde pe glob a dat lumii pentru prima sa imagine despre o gaură neagră. Acum, echipa a validat atât descoperirile lor originale, cât și înțelegerea noastră despre găurile negre cu o nouă imagine a găurii negre supermasive M87*. Această gaură neagră supermasivă, de 6,5 miliarde de ori masa soarelui nostru, se află în centrul galaxiei Messier 87 (M87) din clusterul de galaxii Fecioara, situat la 55 de milioane de ani lumină de Pământ.

Noul imaginea, la fel ca cea veche, a fost surprinsă de Event Horizon Telescope (EHT), o serie de radiotelescoape care se întind pe întreaga planetă. Aceste noi date, totuși, au fost adunate un an mai târziu, în 2018, și au beneficiat de îmbunătățiri ale matricei de telescoape, în special prin includerea unui telescop în Groenlanda.

Imaginea originală a lui M87* a EHT nu era importantă. doar pentru că a reprezentat prima dată când oamenii au imaginat o gaură neagră, dar și pentru că obiectul arăta așa cum trebuia să arate. În mod deosebit, imaginea a arătat ceea ce este cunoscut sub numele de umbră a unei găuri negre - o regiune întunecată în centrul unui disc strălucitor de materie fierbinte care înconjoară gaura neagră. O umbră cu găuri negre nu este o umbră în același sens cu cea pe care o arunci când ieși afară într-o zi însorită. În schimb, regiunea întunecată este creată de câmpul gravitațional imens al găurii negre, care este atât de puternic încât lumina nu poate scăpa de el. Deoarece nicio lumină nu părăsește o gaură neagră, ea pare întunecată.

În plus, acea gravitație puternică curbează lumina care trece lângă gaura neagră fără a cădea în ea, acționând efectiv ca o lentilă. Aceasta este cunoscută sub numele de lentilă gravitațională și creează un inel de lumină care poate fi văzut indiferent de unghiul din care este privită gaura neagră. Aceste efecte au fost ambele prezise din teoria relativității generale a lui Albert Einstein. Deoarece imaginea lui M87* arată aceste efecte, este o dovadă puternică că relativitatea generală și înțelegerea noastră a fizicii găurilor negre sunt corecte.

Această nouă imagine M87* a fost produsă cu contribuții cheie ale unei echipe de imagistică. la Caltech, inclusiv profesorul Katherine (Katie) L. Bouman, profesor asistent de calcul și științe matematice, inginerie electrică și astronomie; fostul doctorat Caltech. studenta Nitika Yadlapalli Yurk, Ph.D.; și actualul asociat de cercetare postdoctoral Caltech în calcul și științe matematice Aviad Levis.

Bouman este coordonator al Grupului de lucru pentru imagistică EHT și a fost bursier postdoctoral la Centrul Harvard Smithsonian pentru Astrofizică și co-conducător al EHT echipa de imagistică când imaginea originală a fost publicată în 2019. În acest rol, ea a contribuit la dezvoltarea algoritmilor care au asamblat tezaurul de date colectate de multiplele radiotelescoape ale EHT într-o singură imagine coerentă. De când s-a alăturat facultății Caltech, Bouman, care este, de asemenea, un savant Rosenberg și anchetator al Institutului de Cercetare Medicală Heritage, și-a continuat munca cu EHT. De asemenea, ea a condus împreună imagistica găurii negre supermasive a Căii Lactee, publicată în 2022.

Yurk s-a alăturat colaborării EHT în 2020 și a jucat un rol activ în echipa de imagistică pentru cea mai recentă imagine M87*. Principalele sale contribuții au inclus dezvoltarea de seturi de date sintetice pentru a fi utilizate în instruirea și validarea algoritmilor de imagistică. Yurk a scris, de asemenea, software care a fost folosit în explorarea candidaților de imagine. Ea a fost recent recunoscută de EHT pentru eforturile sale cu un doctorat. Premiul pentru teză pentru progresele pe care le-a adus în imagistica și validarea celei mai recente imagini M87*. În prezent, este bursier al programului postdoctoral NASA la JPL, pe care Caltech îl gestionează pentru NASA.

Imaginirea unui obiect precum M87* cu EHT este foarte diferită de imaginea unei planete precum Saturn cu un telescop convențional. În loc să vadă lumina, EHT observă undele radio emise de obiecte și trebuie să combine computațional informațiile pentru a forma o imagine.

„Datele brute care ies din aceste telescoape sunt practic doar valori ale tensiunii”, Yurk spune. „Îmi place să descriu radiotelescoapele ca fiind cele mai sensibile voltmetre din lume și colectează tensiuni cu adevărat precise din diferite părți ale cerului.”

Transformarea acestor valori ale tensiunii într-o imagine este dificil, spune Bouman, deoarece informațiile cu care lucrează cercetătorii sunt incomplete și nu există nimic cu care să comparați imaginea, deoarece nimeni nu a văzut M87* cu propriii ochi.

„Nu vrem să ne supunem așteptărilor legate de cum ar trebui să arate gaura neagră atunci când formăm imaginea,” spune Bouman. „În caz contrar, ne-ar putea conduce la o imagine la care ne așteptăm mai degrabă decât la una care surprinde realitatea.”

Pentru a evita această problemă, cercetătorii își testează algoritmii de procesare a imaginilor cu ceea ce este cunoscut sub numele de date sintetice, o suită. de imagini simulate cu forme geometrice simple. Aceste date sunt rulate prin algoritmi pentru a produce o imagine. Dacă imaginea de ieșire este fidelă imaginii de intrare, ei știu că algoritmul funcționează corect și ar putea vedea cu precizie structuri surprinzătoare din jurul găurii negre.

Bouman spune că acel proces, care a fost co-condus de către Yurk, a implicat explorarea a sute de mii de parametri pentru a măsura eficiența algoritmilor în reconstruirea diferitelor structuri de imagine. Echipa a descoperit că, odată cu adăugarea telescopului Groenlanda la EHT, metodele au recuperat mai robust caracteristicile din imagini.

Procesul a produs o imagine a lui M87* care este doar puțin diferită de prima. Cea mai evidentă diferență este că cea mai strălucitoare porțiune a inelului strălucitor din jurul lui M87* s-a deplasat cu aproximativ 30 de grade în sens invers acelor de ceasornic. Potrivit EHT, această mișcare este probabil rezultatul fluxului turbulent de materie în jurul unei găuri negre. Important este că inelul a rămas aceeași dimensiune, ceea ce a fost prezis și de relativitatea generală.

Bouman adaugă că capacitatea echipei de a produce o altă imagine a M87* cu date noi care sunt atât de strâns în acord cu imaginea anterioară este incitant.

„Cred că oamenii se vor întreba: „De ce este important acest lucru? Ați arătat deja o poză cu M87*”. Alte grupuri au reprodus fotografia M87* cu date care au fost realizate în 2017. Dar este un lucru total diferit să ai un nou set de date luat într-un an diferit și să ajungi la aceleași concluzii. Reproductibilitatea cu date independente este, de asemenea, o mare problemă. „

(Fluierul)