Hvordan videnskabsmænd samarbejdede om at skabe verdens første billede af et bagerste hul

I april sidste år gik en koalition af hundredvis af videnskabsmænd fra hele verden sammen for at opnå noget, der tidligere var blevet anset for umuligt: ​​At producere det første billede nogensinde af et sort hul, som en del af Event Horizon Telescope (EHT) projektet.

Jonathan Weintroub er en elektroingeniør og videnskabsmand, der spillede en hovedrolle i designet af digital instrumentering til hele arrayet, og som har været involveret i EHT siden dets tidligste niveauer. Digital Trends talte med ham om udfordringerne ved at samle så mange mennesker, institutioner og teleskoper med et fælles mål.

Denne artikel er en del af vores serie, Innovation gennem samarbejde

Samarbejde er menneskehedens supermagt. Det har muliggjort nogle af de mest betydningsfulde fremskridt, verden nogensinde har set, og i denne serie, vi viser nogle af de mest utrolige og inspirerende eksempler på, at samarbejde foregår rigtigt nu.

Eftermontering af teleskoper til en ny funktion

Projektet krævede brug af otte forskellige teleskoper på seks forskellige steder. Disse teleskoper var dog ikke specialfremstillede til denne opgave - Weintroub og hans kolleger tog eksisterende teleskoper og udstyrede dem med nyt udstyr for at gøre dem til en del af et globalt array.

De fleste af teleskoperne var enkelte parabolskåle, såsom Sydpolteleskopet i Antarktis eller IRAM 30 meter teleskop i Spanien, "så de ligner din parabol til dit fjernsyn, men større," Weintroub forklaret. Holdet monterede to stykker udstyr til hver tallerken: For det første var der en digital backend bestående af en analog til digital konverter og en Linux-computer med 256 terabyte lagerplads pr. optager. Fire af disse optagere pr. sted indeholdt i alt 1,2 petabyte data.

For det andet var der et atomur, da præcise tidsstempler er afgørende for at få nøjagtige aflæsninger på tværs af arrayet. "Det er på størrelse med et kollegiekøleskab, og det holder tiden inden for omkring et sekund hvert tiende million år," sagde Weintroub.

Nogle af de involverede teleskoper var arrays bestående af flere skåle, såsom Submillimeter Array i Hawaii eller Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array i Chile. For EHT-projektet skal disse arrays fungere som en enkelt station. Dette indebar et ekstra behandlingstrin, som Weintroub forklarede: "I stedet for at udføre den standardbehandling, som vi udfører på signaler bygger vi et specielt instrument, der summerer output fra hvert teleskop i arrayet og præsenterer kun ét signal for digitalisering.”

Et sammenfald af godt vejr

Når dataene er blevet indsamlet på hvert teleskopsted, blev det sendt til et centralt sted til behandling, enten i Massachusetts eller i Bonn, Tyskland. Men "1,2 petabyte på hver station er alt for meget data til at sende over internettet," sagde Weintroub. "Så vi pakker disse diske fysisk i en kasse, og vi sender dem til et centralt sted."

Skiverne fra teleskopet på Sydpolen viste sig dog at være en udfordring. "Hverken FedEx eller UPS betjener Sydpolen, og når vi foretager observationen i april, er der ingen lufttjeneste. I slutningen af ​​februar lukkede de flyene ned, og der er bare et skeletpersonale der, som pakker diskene. Vi venter seks måneder, før et fly ankommer og tager køreturene. Vi endte med at vente seks måneder på sydpolens data."

Et andet praktisk problem var vejret på hvert sted. Højfrekvente radioteleskoper, som dem, der blev brugt i EHT-projektet, er ekstremt følsomme over for vand i atmosfæren og kræver klar himmel for at fungere effektivt. Derfor er de fleste af teleskoperne placeret i høje højder med meget tørre atmosfærer, såsom Atacama-ørkenen i Chile eller Mauna Kea på Hawaii. Alligevel kræver observationen godt vejr på hvert enkelt sted. "Hvis du vil have det til at virke, skal du have et sammenfald af godt vejr på alle pladserne. Det sker ret sjældent, som det viser sig."

Vejrforholdene påvirker ikke kun videnskaben, men også forskerne. Den ekstreme højde og lave luftfugtighed bringer deres egne udfordringer for folk, der arbejder på arbejdspladserne. "Der er meget lav vanddamp på toppen af ​​bjerget. Det er som en ørken. Din hud revner, du skal beskytte dine læber." Og når det kommer til højden, ”Vi er oppe i højder på op til 6.000 meter. Atmosfærisk tryk er omkring 60 % af det ved havoverfladen. Du får højdesyge, og du får hovedpine.” For at tilpasse sig forholdene vænner forskerne sig ved at tilbringe et par dage i stadig større højder.

Sammenhængende mennesker og organisationer

EHT var kun et af mange projekter, der konkurrerede om tid på de forskellige teleskoper. Teleskoper er overtegnet, hvilket betyder, at flere projekter ansøger om at bruge dem, end der kan tildeles, så det kan være konkurrencedygtigt at få tid på instrumenterne. Forsøger at indfange regeringer, organisationer og videnskabsmænd for at tillade EHT tid på de forskellige teleskoper var et "spørgsmål om armdrejning", især før EHTs skelsættende resultat trak overskrifter ind 2019.

Og der er spørgsmålet om at koordinere et stort antal mennesker, der bor i forskellige lande. Det praktiske ved at have forskere, der bor i tidszoner fra Østasien til Hawaii, betyder, at det er næsten umuligt at finde et tidspunkt at mødes til telekonferencer. Weintroub endte med at organisere to versioner af hvert globalt møde, bare så alle kunne deltage i et uden at skulle stå op midt om natten.

Personlige udfordringer

Der er også det ofte oversete interpersonelle aspekt af videnskabeligt samarbejde. "Sammenbringelsen af ​​alle disse teleskoper er blevet præsenteret som en model for resten af ​​samarbejdsverdenen, men det involverede komplicerede forhandlinger," sagde Weintroub. ”Der er bestemt en udfordring, når samarbejdet vokser fra en gruppe på 12 forskere til en gruppe på over 250. Inden for samarbejdet er der en vis naturlig konkurrence og rivalisering. Det kan være lidt af en personlig udfordring.”

I videnskabelige kredse afspejles forfatternes relative bidrag til publicerede artikler i den rækkefølge, som deres navne er opført. Men at prøve at bestemme hver enkelt forskers individuelle bidrag til et så stort projekt var i bund og grund umuligt. Nogle teammedlemmer havde arbejdet på projektet i et årti, mens andre først kom med i de sidste par år. Og der er et enormt pres på forskere, især dem tidligt i deres karriere, for at få deres navn fremtrædende i vigtige publikationer.

"Der var en masse debat omkring forfatterskab," sagde Weintroub. I sidste ende, i artiklerne fra EHT-projektet, "er forfatterskabet rent alfabetisk. Efter at have været en del af debatten, var dette den eneste måde, det kunne have været gjort.”

Et bemærkelsesværdigt resultat

Alt dette arbejde og koordinering opnåede et virkelig bemærkelsesværdigt resultat af det første billede nogensinde af et sort hul, der ligger i galaksen Messier 87. Og EHT-projektet vil fortsætte, hvor endnu flere teleskoper slutter sig til projektet for at afbilde flere sorte huller med endnu større følsomhed i fremtiden.

Redaktørernes anbefalinger

• De skød verdens første sorte hul-billede. Nu optager de en video
• Astronomer vil have din hjælp til at identificere tusindvis af sorte huller
• Astronomer søger i små galakser for at forstå udviklingen af ​​sorte huller
• Planeter kan dannes omkring supermassive sorte huller, viser ny undersøgelse
• Astronomer opdager et 'umuligt' sort hul i vores galakse

Opgrader din livsstilDigital Trends hjælper læserne med at holde styr på den hurtige teknologiske verden med alle de seneste nyheder, sjove produktanmeldelser, indsigtsfulde redaktionelle artikler og enestående smugkig.