Metsähovin radio-observatorio mukana mustien aukkojen salaisuuksien paljastamisessa

Keltainen akateemikko Ankka tutkii Metsähovin radio-observatorioon saapuneita vieraitaan kevyesti keikkuen. Aalto-yliopiston vanhempi tutkija Tuomas Savolainen on valmiina kollegoidensa kanssa vastaanottimen vaihtoon, johon hän tällä kertaa poikkeuksellisesti osallistuu mukaan.

Mustien aukkojen tutkimus teki läpimurron vuonna 2019, kun kansainvälinen tutkijaryhmä onnistui ottamaan ensimmäistä kertaa kuvan jättimäisestä mustasta aukosta Messier 87 -galaksin ytimessä. Vuonna 2022 onnistuttiin kuvaamaan oman galaksimme ytimessä oleva musta aukko Sagittarius A*. Event Horizon Telescope -yhteistyöhankkeen jäsenenä Savolainen oli mukana muodostamassa kuvaa sekä Sagittarius A*:sta että neljä vuotta sitten M87*:stä.

”Kuvat kahdesta supermassiivisesta mustasta aukosta olivat huikea onnistuminen, mutta tiesimme jo tuolloin, että työmme on vasta alussa. Uusi tuottamamme kuva näyttää meille kuvan koko mustaa aukkoa ympäröivästä järjestelmästä galaksin M87 keskustassa”, hän sanoo.

Uusin kuva on otettu maailmanlaajuisen radioteleskooppiverkoston nimeltä Global Millimeter VLBI Array (GMVA) avulla. VLBI, joka tulee sanoista ”very long baseline interferometry” eli ”pitkäkantainterferometria”, on tekniikkaa, jolla yhdistetään ympäri maailmaa sijaitsevia radioteleskooppeja toimimaan yhtenä instrumenttina, jonka erotuskyky vastaa maapallon kokoista teleskooppia. Yksittäiset teleskoopit tallentavat taivaallisesta lähteestä tulevat sähkömagneettisen kentän vaihtelut kullakin osallistuvalla asemalla ja nämä nauhoitetut signaalit yhdistetään jälkikäteen. Uudet havainnot on tehty käyttäen pidempää aallonpituutta kuin Event Horizon Telescopen (EHT) tapauksessa.

”Metsähovin radio-observatoriolla on 3,5 millimetrin aallonpituudella toimiva vastaanotin, jonka avulla osallistumme GMVA-verkoston havaintoihin ja olimme mukana keräämässä dataa nyt julkaistuun kuvaan. Uudessa kuvassa näemme, miten mustaa aukkoa ympäröivät kaasun sisään- ja ulosvirtauksesta syntyvät rakenteet liittyvät toisiinsa ja itse mustaan aukkoon. Kuvassa näkyy ensinnäkin plasmasuihku, joka sinkoutuu ulos mustan aukon läheisyydestä lähes valon nopeudella. Ensimmäistä kertaa näemme suihkun samassa kuvassa yhdessä rengasmaisen rakenteen kanssa, ja sen, mistä suihku itse asiassa tulee suhteessa itse mustaan aukkoon.” 

”Toisekseen uudessa kuvassa mustaa aukkoa ympäröivä rengasmainen rakenne on jonkin verran suurempi ja hieman paksumpi kuin Event Horizon -teleskoopilla nähty. Tämä vastaa odotuksia, sillä GMVA:n käyttämällä pidemmällä aallonpituudella aukkoon kertyvän materian virta on vähemmän läpinäkyvä ja näemme enemmän säteilyä nimenomaan tästä kertymävirrasta. EHT:n 1,3 millimetrin aallonpituudella näkemä rengas taas on enemmän gravitaatiolinssiefektin aikaansaama.”

Havaintojen tekeminen on tarkkaa työtä. Jokaisella osallistuvalla asemalla on atomikello, joka tuottaa aikaleimat nauhoituksiin. Teleskooppien nauhoittamat signaalit yhdistetään ”korrelaattoriksi” kutsutulla pienellä supertietokoneella. Nauhoitukset synkronoidaan aikaleimojen avulla ja kunkin teleskooppiparin välille muodostetaan matemaattisten menetelmien avulla niin sanottu interferenssisignaali, joka sisältää tietoa siitä, miltä lähde taivaalla näyttää. GMVA:n nauhoitukset yhdistetään radioastronomian Max-Planck-instituutin korrelaattorilla, Saksan Bonnissa.

”Kyseessä on epäsuora kuvantamisprosessi, joka on sangen haastava. VLBI-tekniikkaan liittyy monia ensikuulemalta suorastaan hämmentäviä yksityiskohtia, kuten se, että muodostaessaan interferenssisignaalin korrelaattori ikään kuin luo uudelleen tilanteen, joka vallitsi sähkömagneettisessa kentässä eri puolilla maapalloa, mutta tämä voi tapahtua kuukausiakin varsinaisten havaintojen nauhoituksen jälkeen”, Savolainen kertoo.

Takaisin alussa mainittuun vastaanottimen vaihtoon, joka on tärkeä toimenpide radio-observatoriossa. Kun Metsähovin noin 14 metrin levyinen lautanen eli radioteleskooppi osallistuu näihin havaintoihin, teleskoopissa oleva vastaanotin on merkittävässä roolissa, sillä se poimii halutun aallonpituuden ja vahvistaa teleskoopin keräämät heikot radiosignaalit niin, että ne voidaan havaita ja tallentaa. Vastaanottimen on oltava erittäin herkkä ja siksi se on jäähdytettävä lämpötilaan, joka on vaivaiset 15–20 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Kaikki lämpimät esineet säteilevät, ja jäähdyttämällä vastaanotin voidaan tätä lämpökohinaa havainnoissa vähentää. 

”Huhtikuun alkupuolella vaihdettu korkeimman taajuuden vastaanottimemme on VLBI-tekniikkaa hyödyntävä vastaanotin, joka osallistuu M87-galaksin mustan aukon tutkimukseen. Vastaanotin on ollut käytössämme lähes kahdenkymmenen vuoden ajan, ja sitä on paranneltu useaan kertaan ja osittain myös rakennettu uudelleen”, Metsähovin radio-observatorion tekniseen palveluhenkilöstöön kuuluva Petri Kirves kertoo.

Mikä on sitten keltaisen akateemikko Ankan tehtävä vastaanottimessa?

”Mittaukset Metsähovissa jatkuvat ja toivottavasti myös tulevaisuudessa opimme uusia asioita siitä, mitä mustan aukon ympärillä tapahtuu. Uusissa havainnoissa pyritään muun muassa mittaamaan suihkun syntyalueen magneettikenttää sekä katsotaan, näemmekö muuttuvuutta suihkun rakenteessa, mikä voisi puolestaan rajoittaa fysikaalisia malleja”, Savolainen päättää ja suuntaa katseensa tulevaan.