Wie Wissenschaftler zusammenarbeiteten, um das weltweit erste Bild eines Hinterlochs zu erstellen

Im vergangenen April kam eine Koalition aus Hunderten von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt zusammen, um etwas zu erreichen, das zuvor als unmöglich galt: die Produktion des erstes Bild eines Schwarzen Lochs, im Rahmen des Event Horizon Telescope (EHT)-Projekts.

Jonathan Weintroub ist ein Elektroingenieur und Wissenschaftler, der eine führende Rolle bei der Gestaltung des Modells spielte digitale Instrumentierung für das gesamte Array und der seit seinen Anfängen am EHT beteiligt ist Stufen. Digital Trends sprach mit ihm über die Herausforderungen, so viele Menschen, Institutionen und Teleskope mit einem gemeinsamen Ziel zusammenzubringen.

Dieser Artikel ist Teil unserer Serie „Innovation durch Zusammenarbeit“.

Zusammenarbeit ist die Supermacht der Menschheit. Es hat einige der bedeutendsten Fortschritte ermöglicht, die die Welt je gesehen hat, und in dieser Serie Wir werden einige der unglaublichsten und inspirierendsten Beispiele für eine erfolgreiche Zusammenarbeit vorstellen Jetzt.

Nachrüsten von Teleskopen für eine neue Funktion

Das Projekt erforderte den Einsatz von acht verschiedenen Teleskopen an sechs verschiedenen Standorten. Diese Teleskope wurden jedoch nicht speziell für diese Aufgabe angefertigt – Weintroub und seine Kollegen nahmen vorhandene Teleskope und rüsteten sie mit neuer Ausrüstung aus, um sie zu einem Teil eines globalen Arrays zu machen.

Bei den meisten Teleskopen handelte es sich um einzelne Parabolspiegel, etwa das Südpolteleskop in der Antarktis oder das IRAM 30-Meter-Teleskop in Spanien, „sie sehen also aus wie Ihre Satellitenschüssel für Ihren Fernseher, nur größer“, sagt Weintroub erklärt. Das Team rüstete jede Schüssel mit zwei Geräten aus: Erstens gab es ein digitales Backend, bestehend aus einem Analog-Digital-Wandler und einem Linux-Computer mit 256 Terabyte Speicher pro Rekorder. Vier dieser Rekorder pro Standort speicherten insgesamt 1,2 Petabyte an Daten.

Zweitens gab es eine Atomuhr, da präzise Zeitstempel für genaue Messwerte im gesamten Array unerlässlich sind. „Es hat die Größe eines Kühlschranks im Wohnheim und hält die Zeit alle zehn Millionen Jahre auf etwa eine Sekunde genau“, sagte Weintroub.

Bei einigen der beteiligten Teleskope handelte es sich um Arrays, die aus mehreren Schüsseln bestanden, wie zum Beispiel das Submillimeter Array auf Hawaii oder das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Chile. Für das EHT-Projekt müssen diese Arrays als eine einzige Station fungieren. Dies erforderte einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt, wie Weintroub erklärte: „Anstatt die Standardverarbeitung durchzuführen, die wir auf dem durchführen Signale bauen wir ein spezielles Instrument, das die Ausgabe jedes Teleskops im Array summiert und nur ein Signal dafür präsentiert Digitalisierung.“

Ein Zufall von gutem Wetter

Sobald die Daten an jedem Teleskopstandort gesammelt wurden, wurden sie zur Verarbeitung an einen zentralen Ort gesendet, entweder in Massachusetts oder in Bonn, Deutschland. Aber „1,2 Petabyte an jeder Station sind viel zu viel Daten, um sie über das Internet zu senden“, sagte Weintroub. „Also verpacken wir diese Datenträger physisch in einen Karton und versenden sie an einen zentralen Ort.“

Eine Herausforderung stellten jedoch die Scheiben des Teleskops am Südpol dar. „Weder FedEx noch UPS bedienen den Südpol, und als wir die Beobachtung im April durchführen, gibt es keinen Flugdienst. Ende Februar haben sie die Flugzeuge abgeschaltet und es gibt nur noch eine Handvoll Mitarbeiter, die die Disketten einpacken. Wir warten sechs Monate, bis ein Flugzeug ankommt und die Fahrten übernimmt. Am Ende haben wir sechs Monate auf die Daten zum Südpol gewartet.“

Ein weiteres praktisches Problem war das Wetter an jedem Standort. Hochfrequenz-Radioteleskope, wie sie im EHT-Projekt verwendet werden, reagieren äußerst empfindlich auf Wasser in der Atmosphäre und benötigen für einen effektiven Betrieb einen klaren Himmel. Aus diesem Grund befinden sich die meisten Teleskope an Orten in großer Höhe mit sehr trockener Atmosphäre, beispielsweise in der Atacama-Wüste in Chile oder auf dem Mauna Kea auf Hawaii. Allerdings setzt die Beobachtung an jedem einzelnen Standort gutes Wetter voraus. „Wenn es funktionieren soll, muss an allen Standorten gleichzeitig gutes Wetter herrschen. Wie sich herausstellt, kommt das eher selten vor.“

Die Wetterbedingungen beeinflussen nicht nur die Wissenschaft, sondern auch die Wissenschaftler. Die extreme Höhenlage und die niedrige Luftfeuchtigkeit stellen die Menschen vor Ort vor besondere Herausforderungen. „Auf dem Gipfel des Berges herrscht sehr wenig Wasserdampf. Es ist wie eine Wüste. Deine Haut reißt, du musst deine Lippen schützen.“ Und was die Höhe angeht: „Wir sind in Höhen von bis zu 6.000 Metern unterwegs. Der Luftdruck beträgt etwa 60 % des Drucks auf Meereshöhe. Man bekommt Höhenkrankheit und Kopfschmerzen.“ Um sich an die Bedingungen anzupassen, akklimatisieren sich die Wissenschaftler, indem sie einige Tage in immer größeren Höhen verbringen.

Menschen und Organisationen zusammenbringen

EHT war nur eines von vielen Projekten, die an den verschiedenen Teleskopen um Zeit konkurrierten. Teleskope sind überbelegt, was bedeutet, dass sich mehr Projekte für deren Nutzung bewerben, als zugeteilt werden kann. Daher kann es konkurrenzfähig sein, Zeit für die Instrumente zu bekommen. Es wird versucht, Regierungen, Organisationen und Wissenschaftler dazu zu bringen, der EHT Zeit für die verschiedenen Zwecke zu geben Teleskopen war eine „Angelegenheit der Armverdrehung“, insbesondere bevor das bahnbrechende Ergebnis von EHT Schlagzeilen machte 2019.

Und es stellt sich das Problem, eine große Anzahl von Menschen zu koordinieren, die in verschiedenen Ländern leben. Da Forscher in Zeitzonen von Ostasien bis Hawaii leben, ist es praktisch unmöglich, Zeit für Telefonkonferenzen zu finden. Weintroub organisierte schließlich zwei Versionen jedes globalen Treffens, damit jeder an einem teilnehmen konnte, ohne mitten in der Nacht aufstehen zu müssen.

Persönliche Herausforderungen

Hinzu kommt der oft übersehene zwischenmenschliche Aspekt der gemeinschaftlichen wissenschaftlichen Arbeit. „Die Zusammenführung all dieser Teleskope wurde als Modell für die übrige Welt der Zusammenarbeit präsentiert, erforderte jedoch komplizierte Verhandlungen“, sagte Weintroub. „Es ist sicherlich eine Herausforderung, wenn die Zusammenarbeit von einer Gruppe von 12 Forschern auf eine Gruppe von über 250 anwächst. Innerhalb der Zusammenarbeit gibt es ein gewisses Maß an natürlichem Wettbewerb und Rivalität. Es kann eine kleine persönliche Herausforderung sein.“

In wissenschaftlichen Kreisen spiegelt sich der relative Beitrag von Autoren zu veröffentlichten Arbeiten in der Reihenfolge wider, in der ihre Namen aufgeführt sind. Der Versuch, die individuellen Beiträge jedes Forschers zu einem so großen Projekt zu ermitteln, war jedoch im Grunde unmöglich. Einige Teammitglieder arbeiteten bereits seit einem Jahrzehnt an dem Projekt, während andere erst in den letzten Jahren dazukamen. Und es besteht ein enormer Druck auf Forscher, insbesondere diejenigen, die am Anfang ihrer Karriere stehen, ihren Namen in wichtigen Publikationen hervorzuheben.

„Es gab viele Debatten über die Urheberschaft“, sagte Weintroub. Letztlich sei in den aus dem EHT-Projekt hervorgegangenen Arbeiten „die Autorenschaft rein alphabetisch geordnet. Nachdem wir an der Debatte teilgenommen hatten, war dies die einzige Möglichkeit, dies zu erreichen.“

Ein bemerkenswertes Ergebnis

All diese Arbeit und Koordination führten zu einem wirklich bemerkenswerten Ergebnis des allerersten Bildes eines Schwarzen Lochs in der Galaxie Messier 87. Und das EHT-Projekt wird fortgesetzt, und noch mehr Teleskope werden sich dem Projekt anschließen, um in Zukunft noch mehr Schwarze Löcher mit noch größerer Empfindlichkeit abzubilden.

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