p Uma equipe internacional de mais de 200 astrônomos, incluindo cientistas do Observatório Haystack do MIT, capturou as primeiras imagens diretas de um buraco negro. Eles realizaram esse feito notável coordenando o poder de oito grandes observatórios de rádio em quatro continentes, para trabalhar juntos como um virtual, Telescópio do tamanho da Terra. p Em uma série de artigos publicados hoje em uma edição especial da Cartas de jornal astrofísico , a equipe revelou quatro imagens do buraco negro supermassivo no coração de Messier 87, ou M87, uma galáxia dentro do aglomerado de galáxias de Virgem, 55 milhões de anos-luz da Terra.

p Todas as quatro imagens mostram uma região central escura cercada por um anel de luz que parece torto - mais brilhante de um lado do que do outro.

p Albert Einstein, em sua teoria da relatividade geral, previu a existência de buracos negros, na forma de infinitamente denso, regiões compactas no espaço, onde a gravidade é tão extrema que nada, nem mesmo luz, pode escapar de dentro. Por definição, os buracos negros são invisíveis. Mas se um buraco negro está rodeado por material emissor de luz, como plasma, As equações de Einstein prevêem que algum deste material deve criar uma "sombra, "ou um contorno do buraco negro e sua fronteira, também conhecido como horizonte de eventos.

p Com base nas novas imagens do M87, os cientistas acreditam que estão vendo a sombra de um buraco negro pela primeira vez, na forma da região escura no centro de cada imagem.

p A relatividade prevê que o imenso campo gravitacional fará com que a luz se curve ao redor do buraco negro, formando um anel brilhante em torno de sua silhueta, e também fará com que o material circundante orbite ao redor do objeto próximo à velocidade da luz. O brilho, O anel torto nas novas imagens oferece confirmação visual desses efeitos:O material direcionado para o nosso ponto de vantagem enquanto gira parece mais brilhante do que o outro lado.

p A partir dessas imagens, teóricos e modeladores da equipe determinaram que o buraco negro tem cerca de 6,5 bilhões de vezes a massa do nosso sol. Ligeiras diferenças entre cada uma das quatro imagens sugerem que o material está passando pelo buraco negro na velocidade da luz.

p "Este buraco negro é muito maior do que a órbita de Netuno, e Netuno leva 200 anos para girar em torno do sol, "diz Geoffrey Crew, um cientista pesquisador do Observatório Haystack. "Com o buraco negro do M87 sendo tão grande, um planeta em órbita o contornaria em uma semana e viajaria quase à velocidade da luz. "

p "As pessoas tendem a ver o céu como algo estático, que as coisas não mudam nos céus, ou se eles fazem, está em escalas de tempo que são mais longas do que a vida de um humano, "diz Vincent Fish, um cientista pesquisador do Observatório Haystack. "Mas o que encontramos para o M87 é, nos mínimos detalhes que temos, objetos mudam na escala de tempo dos dias. No futuro, talvez possamos produzir filmes dessas fontes. Hoje estamos vendo os quadros iniciais. "

p "Essas novas imagens notáveis ​​do buraco negro M87 provam que Einstein estava certo mais uma vez, "diz Maria Zuber, Vice-presidente de pesquisa do MIT e da E.A. Griswold Professor de Geofísica no Departamento da Terra, Ciências Atmosféricas e Planetárias. "A descoberta foi possibilitada por avanços em sistemas digitais nos quais os engenheiros da Haystack se destacaram por muito tempo."

p "A natureza era gentil"

p As imagens foram tiradas pelo Event Horizon Telescope, ou EHT, uma matriz em escala planetária compreendendo oito radiotelescópios, cada um em um controle remoto, ambiente de alta altitude, incluindo o topo das montanhas do Havaí, Sierra Nevada da Espanha, o deserto chileno, e o manto de gelo da Antártica.

p Em qualquer dia, cada telescópio opera de forma independente, observar objetos astrofísicos que emitem ondas de rádio fracas. Contudo, um buraco negro é infinitamente menor e mais escuro do que qualquer outra fonte de rádio no céu. Para ver com clareza, astrônomos precisam usar comprimentos de onda muito curtos - neste caso, 1,3 milímetros - isso pode cortar as nuvens de material entre um buraco negro e a Terra.

p Fazer uma foto de um buraco negro também requer uma ampliação, ou "resolução angular, "equivalente a ler um texto em um telefone em Nova York de um café na calçada de Paris. A resolução angular de um telescópio aumenta com o tamanho do prato receptor. No entanto, mesmo os maiores radiotelescópios da Terra estão longe de serem grandes o suficiente para ver um buraco negro.

p Mas quando vários radiotelescópios, separados por distâncias muito grandes, são sincronizados e focados em uma única fonte no céu, eles podem operar como uma grande antena parabólica, através de uma técnica conhecida como interferometria de linha de base muito longa, ou VLBI. Como resultado, sua resolução angular combinada pode ser amplamente melhorada.

p Para EHT, os oito telescópios participantes somados a uma antena de rádio virtual tão grande quanto a Terra, com a capacidade de resolver um objeto em até 20 microssegundos de arco - cerca de 3 milhões de vezes mais nítido do que a visão 20/20. Por uma feliz coincidência, é a precisão necessária para ver um buraco negro, de acordo com as equações de Einstein.

p "A natureza foi gentil conosco, e nos deu algo grande o suficiente para ver usando equipamentos e técnicas de última geração, "diz Crew, co-líder do grupo de trabalho de correlação EHT e da equipe do Observatório ALMA VLBI.

p "Gobs de dados"

p Em 5 de abril, 2017, o EHT começou a observar o M87. Depois de consultar várias previsões do tempo, astrônomos identificaram quatro noites que produziriam condições claras para todos os oito observatórios - uma oportunidade rara, durante o qual eles poderiam funcionar como um prato coletivo para observar o buraco negro.

p Na radioastronomia, telescópios detectam ondas de rádio, em frequências que registram fótons que chegam como uma onda, com amplitude e fase que são medidas como voltagem. Como eles observaram M87, cada telescópio captava fluxos de dados na forma de voltagens, representados como números digitais.

p "Estamos gravando muitos dados - petabytes de dados para cada estação, "Tripulação diz.

p No total, cada telescópio absorveu cerca de um petabyte de dados, igual a 1 milhão de gigabytes. Cada estação registrou esse enorme influxo em várias unidades Mark6 - gravadores de dados ultrarrápidos que foram originalmente desenvolvidos no Haystack Observatory.

p Depois que a execução de observação terminou, pesquisadores em cada estação empacotaram a pilha de discos rígidos e os enviaram via FedEx para o Observatório Haystack, em Massachusetts, e Instituto Max Planck de Radioastronomia, Na Alemanha. (O transporte aéreo era muito mais rápido do que transmitir os dados eletronicamente.) Em ambos os locais, os dados foram reproduzidos em um supercomputador altamente especializado chamado correlator, que processou os dados em dois fluxos por vez.

p À medida que cada telescópio ocupa um local diferente na antena de rádio virtual do EHT, tem uma visão ligeiramente diferente do objeto de interesse - neste caso, M87. Os dados recebidos por dois telescópios separados podem codificar um sinal semelhante do buraco negro, mas também conter ruído específico para os respectivos telescópios.

p O correlator alinha os dados de cada par possível dos oito telescópios do EHT. A partir dessas comparações, ele elimina matematicamente o ruído e detecta o sinal do buraco negro. Relógios atômicos de alta precisão instalados em todos os dados de entrada de carimbo de data e hora do telescópio, permitindo que os analistas combinem os fluxos de dados após o fato.

p "Alinhar precisamente os fluxos de dados e levar em conta todos os tipos de perturbações sutis para o tempo é uma das coisas em que Haystack se especializa, "diz Colin Lonsdale, Diretor do Haystack e vice-presidente do conselho diretor do EHT.

p Teams at both Haystack and Max Planck then began the painstaking process of "correlating" the data, identifying a range of problems at the different telescopes, fixing them, and rerunning the correlation, until the data could be rigorously verified. Only then were the data released to four separate teams around the world, each tasked with generating an image from the data using independent techniques.

p "It was the second week of June, and I remember I didn't sleep the night before the data was released, to be sure I was prepared, " says Kazunori Akiyama, co-leader of the EHT imaging group and a postdoc working at Haystack.

p All four imaging teams previously tested their algorithms on other astrophysical objects, making sure that their techniques would produce an accurate visual representation of the radio data. When the files were released, Akiyama and his colleagues immediately ran the data through their respective algorithms. Mais importante, each team did so independently of the others, to avoid any group bias in the results.

p "The first image our group produced was slightly messy, but we saw this ring-like emission, and I was so excited at that moment, " Akiyama remembers. "But simultaneously I was worried that maybe I was the only person getting that black hole image."

p His concern was short-lived. Soon afterward all four teams met at the Black Hole Initiative at Harvard University to compare images, and found, with some relief, and much cheering and applause, that they all produced the same, lopsided, ring-like structure—the first direct images of a black hole.

p "There have been ways to find signatures of black holes in astronomy, but this is the first time anyone's ever taken a picture of one, " Crew says. "This is a watershed moment."

p "A new era"

p The idea for the EHT was conceived in the early 2000s by Sheperd Doeleman Ph.D. '95, who was leading a pioneering VLBI program at Haystack Observatory and now directs the EHT project as an astronomer at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. No momento, Haystack engineers were developing the digital back-ends, recorders, and correlator that could process the enormous datastreams that an array of disparate telescopes would receive.

p "The concept of imaging a black hole has been around for decades, " Lonsdale says. "But it was really the development of modern digital systems that got people thinking about radio astronomy as a way of actually doing it. More telescopes on mountaintops were being built, and the realization gradually came along that, Ei, [imaging a black hole] isn't absolutely crazy."

p Em 2007, Doeleman's team put the EHT concept to the test, installing Haystack's recorders on three widely scattered radio telescopes and aiming them together at Sagittarius A*, the black hole at the center of our own galaxy.

p "We didn't have enough dishes to make an image, " recalls Fish, co-leader of the EHT science operations working group. "But we could see there was something there that's about the right size."

p Hoje, the EHT has grown to an array of 11 observatories:ALMA, APEX, the Greenland Telescope, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the Kitt Peak Telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

p Coordinating observations and analysis has involved over 200 scientists from around the world who make up the EHT collaboration, with 13 main institutions, including Haystack Observatory. Key funding was provided by the National Science Foundation, the European Research Council, and funding agencies in East Asia, including the Japan Society for the Promotion of Science. The telescopes contributing to this result were ALMA, APEX, the IRAM 30-meter telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

p More observatories are scheduled to join the EHT array, to sharpen the image of M87 as well as attempt to see through the dense material that lies between Earth and the center of our own galaxy, to the heart of Sagittarius A*.

p "We've demonstrated that the EHT is the observatory to see a black hole on an event horizon scale, " Akiyama says. "This is the dawn of a new era of black hole astrophysics." p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.