İnsanlığın ilk kara delik fotoğrafının arkasındaki ileri teknolojiler nelerdir?
HD resmi görmek için lütfen gözlük takın
Dün gece gökbilimciler için uykusuz bir geceydi.
Tarihte bir kara deliğin ilk gerçek fotoğrafı nihayet ortaya çıktı, sonunda kara deliklerin siyah değil, "kırmızı" (şaka) olduğunu anlayalım.
Bir kara deliğin ilk gerçek fotoğrafı bulanık ve düzensiz bir halka olsa da, en gelişmiş algılama teknolojisi bu fotoğrafın arkasında yoğunlaşıyor.Tüm süreç on yıldan fazla sürdü ve Afrika, Asya ve Avrupa'dan insanları kullandı. Kuzey Amerika ve Güney Amerika'dan 200'den fazla araştırmacıyla, sekiz algılama teleskopu gece gündüz gözlemler ve son görüntü de Nobel Ödülü'nü kazanabilir.
Tüm bu başarılar Ufuk Teleskobu (EHT) ve arkasındaki hesaplamalardan ayrılamaz.
01. Dünyanın çapı boyunca: ona sekiz teleskop yapışır
Genellikle, her teleskop bağımsız olarak çalışır ve zayıf radyo dalgaları yayan gök cisimlerini gözlemler. Ancak kara delikler, evrendeki diğer radyo kaynaklarından çok daha küçük ve daha karanlıktır. Daha net görebilmek için, gökbilimcilerin kara delik ile Dünya arasındaki maddi buluta nüfuz edebilecek çok kısa bir dalga boyu (1.3 milimetre) kullanmaları gerekir.
Kara delik fotoğrafları çekmek de büyütme veya "açısal çözünürlük" gerektirir; bu, New York'ta bir Paris yolunun kenarındaki bir kafede cep telefonunda metin okumaya eşdeğerdir. Teleskobun açısal çözünürlüğü alıcı diskin boyutu ile artar. Bununla birlikte, dünyadaki en büyük radyo teleskopu bile kara delikleri görecek kadar büyük değildir.
Bununla birlikte, uzun mesafelerde birden fazla radyo teleskopu senkronize edildiğinde ve evrendeki tek bir ışık kaynağına odaklandığında, bunlar çok uzun taban hattı girişimometresi ( VLBI ) Çok büyük bir radyo parabolik anteni olan teknoloji, böylece birleşik açısal çözünürlükleri büyük ölçüde geliştirilebilir.
EHT için, katılan 8 teleskop, bir nesnenin çözünürlüğünü 20 mikro ark saniyeye düşürebilen, dünya kadar büyük sanal bir radyo anteninde birleştirilir. Tesadüfen, Einstein'ın denklemine göre, bu neredeyse kara delikleri gözlemlemek için gereken doğruluktur.
5 Nisan 2017'de Antarktika, Şili, Meksika, Hawaii, Arizona ve İspanya'da bulunan 8 milimetre altı radyo teleskopu aynı anda kara deliği gözlemledi ve bu 8 radyo teleskopunu ölçmek için Çok Uzun Temel Girişim Ölçümü (VLBI) kullandı. Teleskop, dünyanın çapıyla yaklaşık olarak aynı olan 13.000 kilometre EHT açıklığına sahip süper "sanal" bir teleskop-izleme arayüzü teleskopu (EHT) olarak inşa edilmiştir.
Teleskopun küresel dağılımının şematik diyagramı, kırmızı nokta teleskopun konumunu temsil eder
EHT'nin oluşumundan sonra, teleskop "resim çekme" yeteneğine sahiptir.Bu sadece kara delik resimlerinde ilk adımdır.Fotoğraf çekildikten sonraki adım resimleri "yıkamak" tır.
02. Fotoğraf yıkama: milyonlarca G verisini işlemek için fazla hesaplama
Aslında, EHT fotoğraf çekmeyi çoktan bitirdi ve "fotoğraf yıkama" süreci iki yıl sürüyor.
"Fotoğraf yıkama" süresi neden bu kadar uzun?
Çünkü bu tür gözlemlerin veri işlenmesi sadece bir dizi hazır yöntem değildir. Çoklu teleskoplar arasındaki saat farklılıkları ve zamanla teleskopların durumundaki küçük değişiklikler gibi problemler gözlemlerin doğruluğunu etkileyecektir. Öte yandan, "fotoğrafı çekilen" nesnenin kara deliğinin kendisi de sürekli değişiyor Bilim adamlarının "kamerayı" kalibre etmek için yeni yöntemler keşfetmeleri ve sentezlenen görüntünün kalitesini ve doğruluğunu iyileştirmek için bir model oluşturmaları gerekiyor.
Veri işleme sürecinde, iyileştirme için hesaplama yönteminin işlem sonuçlarına göre sürekli olarak ayarlanması gerekir ve veri miktarı çok büyüktür, bu nedenle uzun zaman alır. Bu büyük miktardaki veriyi işlemek için, MIT ve diğer kurumlardaki bilim adamlarının veri analizini hızlandırmak için yeni algoritmalar geliştirdiği bildirildi.
Radyo astronomisinde radyo dalgaları, frekansı gelen ışığı dalga şeklinde kaydeden bir teleskopla tespit edilir ve genliği ve fazı voltaj şeklinde ölçülür. Bu çekimin kahramanı olarak ... M87 Gözlem yaparken, her bir teleskop veri akışını dijital biçimde ifade edilen voltaj biçiminde alır.
Her teleskop yaklaşık 1 PB ( 1 milyon GB ) Toplam veri.
Gözlemden sonra, her gözlem alanındaki araştırmacılar sabit disk yığınları topladılar ve bunları Massachusetts, ABD'deki Haystack Gözlemevi'ne ve Almanya'daki Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü'ne teslim ettiler. (Bu kadar büyük miktarda veri olması durumunda, sabit diski hava yoluyla ifade etmek, verileri elektronik olarak aktarmaktan çok daha hızlıdır)
Bu iki gözlemevi (tümü), aynı anda iki veri akışını işleyebilen güçlü, son derece uzmanlaşmış süper bilgisayarlara sahiptir.
Her teleskop, EHT'nin sanal radyo diskinde farklı bir konumda olduğundan, sunduğu hedef nesnenin görünümü biraz farklı olacaktır ve buradaki hedef M87'dir. İki ayrı teleskop tarafından alınan veriler, kara delikler için benzer sinyalleri kodlayabilir, ancak her biri aynı zamanda her bir teleskopa özgü gürültü içerir.
Süper bilgisayardaki ilişkilendiriciler, EHT'nin sekiz teleskopundan elde edilen her bir olası veri çiftini sıralar. Karşılaştırma yoluyla, gürültü matematiksel olarak ortadan kaldırılır ve kara deliğin sinyali çıkarılır. Her bir teleskopa takılan yüksek hassasiyetli atom saati, giriş verilerine zaman damgası koyarak analistlerin daha sonra veri akışını eşleştirmesine olanak tanır.
Daha sonra, Haystack Gözlemevi ve Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü'nden araştırmacılar, verileri "ilişkilendirme", farklı teleskoplardan bir dizi sorunu belirleme, bu sorunları giderme ve veriler sıkı doğrulamadan geçene kadar ilişkilendiriciyi yeniden çalıştırma gibi zorlu bir sürece başladı. Bundan sonra, veriler dünyanın dört bir yanındaki dört bağımsız ekibe gönderilecek.Bu ekiplerin görevi, verilerden görüntüler oluşturmak için bağımsız teknolojiyi kullanmaktır.
03, Einstein'ın zaferi
1916'da Alman gökbilimci Karl Schwarzschild, hesaplamalar yoluyla Einstein'ın yerçekimi alan denkleminin vakum çözümünü elde etti. Uzayda bir noktada büyük miktarda madde yoğunlaşırsa, çevresinde garip bir fenomen meydana gelir, yani parçacığın etrafında bir arayüz vardır - olay görünümü arayüzü Arayüze girdiğinde, ışık bile kaçamaz. Amerikalı fizikçi John Wheeler canlı bir şekilde "kara delik" diyor.
Schwarzschild, kara deliğin ilk çözümünü elde ettiğinden beri, birçok fizikçi de kendilerini bu "inanılmaz gök cismi" nin incelenmesine adamaya başladı. 1930'larda Amerikalı "Atom Bombasının Babası" Oppenheimer, yıldızların belirli koşullar altında çökerek kara delikler oluşturabileceğini keşfetti ve bu görüş, son yıllarda sayısal hesaplamalarla doğrulandı.
Astronomik gözlem teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, gök cisimleri üzerine yapılan araştırmalar açıkça sadece hesaplama düzeyinde bitmeyecek. Ama sorun şu ki, kara delikler diğer gök cisimlerinden farklı, ışığı bile yutabildikleri için insanlar uçsuz bucaksız evrende kara delikleri nasıl bulabilirler?
Bilim adamları, kara deliklerin birikme diskleri ve jet fenomeni gibi çevredeki gök cisimleri üzerindeki etkilerini ve etkilerini ölçerek dolaylı olarak kara deliklerin varlığını gözlemleyebilir veya spekülasyon yapabilir. Madde yutulduğunda, merkezdeki karadeliğe spiral bir yörünge boyunca yaklaşacak ve düşecek ve böylece kara deliğin etrafında disk şeklinde bir birikim diski oluşturacaktır. Kara deliğin çekim kuvveti altında, birikme diskindeki madde son derece hızlı bir şekilde kara deliğe düşer ve madde arasındaki sürtünme onun milyarlarca derece yüksek bir sıcaklığa kadar ısınmasına ve dolayısıyla radyasyon yaymasına neden olur.
Kara delik çevreleyen göksel maddeyi "emdiğinde", gazın bir kısmı, "yenilmeden" önce dönme ekseni yönünde yüksek enerjili parçacıkları fırlatacaktır, bu jettir.
Daha sonra, Einstein'ın 100 yıldan daha uzun bir süre önce genel görelilik teorisini de kanıtlayan kara delikler gözlemlendi.
04. İnsanlığın ilk kara delik fotoğrafı: IBM bilgisayar simülasyonu
Bu fotoğraf, Amerikalı astrofizikçi Jean-Pierre Luminet tarafından 1978'de çizildi. Bu, bir kara deliğin olay ufkunu gösteren ilk görüntüdür.
Tabii ki bu gerçek bir fotoğraf değil. Matematik geçmişine sahip Luminet, ilk kez bir kara deliğin görünümünü simüle etmek için 1960'lardan bir IBM 7040 zımba bilgisayarı kullandı.
Bilgisayar verileri geri verdikten sonra, Luminet kara deliği negatif yaprağa elle çizmek için zahmetli bir şekilde kalem ve mürekkep kullandı. Bu bulanık görüntü (yukarıya bakın), kara deliğe yeterince yakın olsaydık, düz bir madde diskinin nasıl görünebileceğini gösteriyor. Düz görünmüyor çünkü kara deliğin güçlü yerçekimi etrafındaki ışığı büküyor.
"Yıldızlararası" Gargantua filmindeki kara delik
Şimdi, IBM7040 müzeye çoktan girdi ve kara deliklerin insan keşfi çoktan başka bir tarihsel sürece girdi.
05. Süper hesaplama, insanlığın hayal gücünü evrene doğru açar
2015 yılında, yerçekimi dalgalarının keşfi, kara deliklerin daha da ileri gitmesine izin verdi.
LIGO keşfinden kara delik görüntüsü
Kara delik çarpışması gibi büyük bir olayı modellemek çok zordur, çünkü birbirleriyle çarpışan kara delikler birbirine çok yaklaştığında, ikisi nihayet birleşmeden sadece birkaç saniye önce, yerçekimi alanları ve hızları aşırı hale gelir ve matematik çok Standart analiz yöntemleriyle analiz edilemeyecek kadar karmaşıktır.
Araştırmacılar, Caltech'in süper hesaplamasını, ardından simülasyondan öğrenmek için yeni bir makine öğrenimi programını veya algoritmasını kullandılar ve sonunda, yaklaşık 900 kara delik birleşmesinin simülasyonundan 20.000 saat süren bir model oluşturdular.
Şimdi, hesaplama gücünün enerjisi sadece kara delikleri simüle etmekle ilgili değil.
Kara delikler ve evren simülasyonu, bilgi işlem gücünden ayrılamaz.
Yüzlerce yıllık araştırmalardan sonra, ilk kara delik fotoğrafına şahit olmak ne kadar şanslı. Elbette kara delikleri ve daha da gizemli gök cisimlerini patlatan "başörtüsü" bugün atılan ilk adım ve gelecekte de hep yollarda olacağız.
İçerik kaynağı: Xinzhiyuan, sizi Geng Geng Xinghe'yi görmeye götürür
