Hvordan forskere samarbeidet for å lage verdens første bilde av et bakre hull

I april i fjor kom en koalisjon av hundrevis av forskere fra hele verden sammen for å oppnå noe som tidligere hadde vært ansett som umulig: å produsere første gangs bilde av et sort hull, som en del av Event Horizon Telescope (EHT)-prosjektet.

Jonathan Weintroub er en elektroingeniør og vitenskapsmann som spilte en hovedrolle i utformingen av digital instrumentering for hele arrayet, og som har vært involvert i EHT siden den tidligste etapper. Digital Trends snakket med ham om utfordringene ved å bringe sammen så mange mennesker, institusjoner og teleskoper med ett felles mål.

Denne artikkelen er en del av serien vår, Innovasjon gjennom samarbeid

Samarbeid er menneskehetens superkraft. Det har muliggjort noen av de mest betydningsfulle fremskritt verden noensinne har sett, og i denne serien, vi vil vise frem noen av de mest utrolige og inspirerende eksemplene på at samarbeid skjer riktig nå.

Ettermontering av teleskoper for en ny funksjon

Prosjektet krevde bruk av åtte forskjellige teleskoper på seks forskjellige steder. Disse teleskopene ble imidlertid ikke skreddersydd for denne oppgaven – Weintroub og kollegene hans tok eksisterende teleskoper og utstyrte dem med nytt utstyr for å gjøre dem til en del av et globalt utvalg.

De fleste av teleskopene var enkeltparabolske tallerkener, for eksempel South Pole Telescope i Antarktis eller IRAM 30 meter teleskop i Spania, "så de ser ut som parabolantennen din for TV-en din, men større," Weintroub forklart. Teamet monterte to stykker utstyr til hver tallerken: Først var det en digital backend bestående av en analog til digital omformer og en Linux-datamaskin med 256 terabyte lagringsplass per opptaker. Fire av disse opptakerne per sted inneholdt totalt 1,2 petabyte med data.

For det andre var det en atomklokke, ettersom presise tidsstempler er avgjørende for å få nøyaktige avlesninger på tvers av matrisen. "Det er på størrelse med et dorm-kjøleskap, og det holder tid til omtrent et sekund hvert tiende million år," sa Weintroub.

Noen av de involverte teleskopene var arrays bestående av flere tallerkener, for eksempel Submillimeter Array på Hawaii eller Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array i Chile. For EHT-prosjektet må disse arrayene fungere som en enkelt stasjon. Dette innebar et ekstra behandlingstrinn, som Weintroub forklarte: «I stedet for å gjøre standardbehandlingen som vi gjør på signaler, bygger vi et spesielt instrument som summerer utgangen fra hvert teleskop i arrayet og presenterer bare ett signal for digitalisering.»

Et sammentreff av fint vær

Når dataene er samlet inn på hvert teleskopsted, ble de sendt til et sentralt sted for behandling, enten i Massachusetts eller i Bonn, Tyskland. Men "1,2 petabyte på hver stasjon er alt for mye data til å sende over internett," sa Weintroub. "Så vi pakker disse diskene fysisk i en boks og sender dem til et sentralt sted."

Skivene fra teleskopet på Sydpolen viste seg imidlertid å være en utfordring. "Verken FedEx eller UPS betjener Sydpolen, og når vi gjør observasjonen i april er det ingen flytjeneste. I slutten av februar stengte de flyene, og det er bare en skjelettpersonell der, som pakker diskene. Vi venter seks måneder før et fly kommer og tar kjøreturene. Vi endte opp med å vente seks måneder på dataene fra Sydpolen.»

Et annet praktisk problem var været på hvert sted. Høyfrekvente radioteleskoper, som de som ble brukt i EHT-prosjektet, er ekstremt følsomme for vann i atmosfæren og krever klar himmel for å fungere effektivt. Derfor er de fleste teleskopene plassert i høye høyder med svært tørre atmosfærer, for eksempel Atacama-ørkenen i Chile eller Mauna Kea på Hawaii. Likevel krever observasjonen godt vær på hvert enkelt sted. "Hvis du vil at det skal fungere, må du ha et sammentreff av godt vær på alle stedene. Det skjer ganske sjelden, viser det seg.»

Værforholdene påvirker ikke bare vitenskapen, men også forskerne. Den ekstreme høyden og den lave luftfuktigheten gir sine egne utfordringer for folk som jobber på anleggene. "Det er veldig lav vanndamp på toppen av fjellet. Det er som en ørken. Huden din sprekker, du må legge beskyttelse på leppene dine.» Og når det kommer til høyde, «Vi er oppe i høyder på opptil 6000 meter. Atmosfærisk trykk er omtrent 60 % av det ved havnivå. Du får høydesyke og du får hodepine.» For å tilpasse seg forholdene, akklimatiserer forskerne ved å tilbringe noen dager i stadig større høyder.

Samle mennesker og organisasjoner

EHT var bare ett av mange prosjekter som konkurrerte om tid på de forskjellige teleskopene. Teleskoper er overtegnet, noe som betyr at flere prosjekter søker om å bruke dem enn det som kan tildeles, så det kan være konkurransedyktig å få tid på instrumentene. Prøver å fengsle regjeringer, organisasjoner og forskere for å tillate EHT tid på de forskjellige teleskoper var et "spørsmål om armvridning", spesielt før EHTs landemerkeresultat skapte overskrifter 2019.

Og det er spørsmålet om å koordinere et stort antall mennesker som bor i forskjellige land. Det praktiske ved å ha forskere som bor i tidssoner fra Øst-Asia til Hawaii betyr at det er nesten umulig å finne et tidspunkt å møtes for telekonferanser. Weintroub endte opp med å organisere to versjoner av hvert globale møte, bare slik at alle kunne delta på ett uten å måtte stå opp midt på natten.

Personlige utfordringer

Det er også det ofte oversett mellommenneskelige aspektet ved samarbeidende vitenskapelig arbeid. "Sammenbringelsen av alle disse teleskopene har blitt presentert som en modell for resten av samarbeidsverdenen, men det innebar kompliserte forhandlinger," sa Weintroub. «Det er absolutt en utfordring når samarbeidet vokser fra en gruppe på 12 forskere til en gruppe på over 250. Innenfor samarbeidet er det en viss naturlig konkurranse og rivalisering. Det kan være litt av en personlig utfordring."

I vitenskapelige kretser gjenspeiles de relative bidragene fra forfattere til publiserte artikler i rekkefølgen navnene deres er oppført i. Men å prøve å bestemme de individuelle bidragene fra hver forsker til et så stort prosjekt var i hovedsak umulig. Noen teammedlemmer hadde jobbet med prosjektet i et tiår, mens andre først ble med de siste årene. Og det er et enormt press på forskere, spesielt de tidlig i karrieren, for å få navnet sitt fremtredende omtalt i viktige publikasjoner.

"Det var mye debatt rundt forfatterskap," sa Weintroub. Til slutt, i papirene som er et resultat av EHT-prosjektet, "er forfatterskapet rent alfabetisk. Etter å ha vært en del av debatten, var dette den eneste måten det kunne vært gjort på.»

Et bemerkelsesverdig resultat

Alt dette arbeidet og koordineringen oppnådde et virkelig bemerkelsesverdig resultat av det første bildet noensinne av et svart hull, som ligger i galaksen Messier 87. Og EHT-prosjektet vil fortsette, med enda flere teleskoper som blir med i prosjektet for å avbilde flere sorte hull med enda større følsomhet i fremtiden.

Redaktørenes anbefalinger

• De tok verdens første svarte hull-bilde. Nå spiller de inn en video
• Astronomer vil ha din hjelp til å identifisere tusenvis av sorte hull
• Astronomer søker i små galakser for å forstå utviklingen av sorte hull
• Planeter kan dannes rundt supermassive sorte hull, viser ny studie
• Astronomer oppdager et "umulig" sort hull i galaksen vår

Oppgrader livsstilen dinDigitale trender hjelper leserne å følge med på den fartsfylte teknologiverdenen med alle de siste nyhetene, morsomme produktanmeldelser, innsiktsfulle redaksjoner og unike sniktitter.