Jak naukowcy współpracowali przy tworzeniu pierwszego na świecie obrazu tylnego otworu

W kwietniu ubiegłego roku koalicja setek naukowców z całego świata zebrała się, aby osiągnąć coś, co wcześniej uważano za niemożliwe: wyprodukowanie pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziuryw ramach projektu Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT).

Jonathan Weintroub jest inżynierem elektrykiem i naukowcem, który odegrał wiodącą rolę w projektowaniu oprzyrządowanie cyfrowe dla całej macierzy i który jest związany z EHT od jego początków gradacja. Firma Digital Trends rozmawiała z nim o wyzwaniach związanych z połączeniem tak wielu osób, instytucji i teleskopów w jednym wspólnym celu.

Ten artykuł jest częścią naszej serii Innowacje poprzez współpracę

Współpraca jest supermocą ludzkości. Umożliwiło to dokonanie niektórych z najbardziej znaczących postępów, jakie kiedykolwiek widział świat, a w tej serii: zaprezentujemy niektóre z najbardziej niesamowitych i inspirujących przykładów trafnej współpracy Teraz.

Doposażenie teleskopów w nową funkcję

Projekt wymagał użycia ośmiu różnych teleskopów w sześciu różnych lokalizacjach. Teleskopy te nie zostały jednak stworzone na zamówienie do tego zadania – Weintroub i jego współpracownicy wykorzystali istniejące teleskopy i wyposażyli je w nowy sprzęt, aby uczynić je częścią globalnego układu.

Większość teleskopów to pojedyncze anteny paraboliczne, takie jak Teleskop Bieguna Południowego na Antarktydzie czy IRAM 30-metrowy teleskop w Hiszpanii „wygląda jak antena satelitarna dla telewizora, ale jest większa” – Weintroub wyjaśnione. Zespół zamontował po dwa urządzenia w każdej antenie: po pierwsze, zaplecze cyfrowe składające się z przetwornika analogowo-cyfrowego i komputera z systemem Linux o pojemności 256 terabajtów na każdy rejestrator. Cztery z tych rejestratorów w każdej lokalizacji zawierały łącznie 1,2 petabajta danych.

Po drugie, istniał zegar atomowy, ponieważ dokładne znaczniki czasu są niezbędne do uzyskania dokładnych odczytów w układzie. „Jest wielkości lodówki w akademiku i odmierza czas z dokładnością do jednej sekundy na dziesięć milionów lat” – powiedział Weintroub.

Niektóre z zaangażowanych teleskopów to układy składające się z wielu talerzy, takie jak Submillimeter Array na Hawajach lub Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array w Chile. W przypadku projektu EHT macierze te muszą działać jako pojedyncza stacja. Jak wyjaśnił Weintroub, wymagało to dodatkowego etapu przetwarzania: „Zamiast standardowego przetwarzania, które wykonujemy na platformie sygnałów, budujemy specjalny instrument, który sumuje sygnał wyjściowy każdego teleskopu w układzie i prezentuje tylko jeden sygnał digitalizacja.”

Zbieg okoliczności dobrej pogody

Gdy dane zostały zebrane w każdym miejscu teleskopu, zostały przesłane do centralnej lokalizacji w celu przetworzenia, albo w Massachusetts, albo w Bonn w Niemczech. Jednak „1,2 petabajta na każdej stacji to zdecydowanie za dużo danych, aby przesłać je przez Internet” – stwierdził Weintroub. „Dlatego fizycznie pakujemy te dyski w pudełka i wysyłamy je do centralnej lokalizacji”.

Dyski teleskopu na biegunie południowym okazały się jednak wyzwaniem. „Ani FedEx, ani UPS nie obsługują Bieguna Południowego, a kiedy przeprowadzamy obserwację w kwietniu, nie ma połączenia lotniczego. Pod koniec lutego zamknęli samoloty i pozostał tam tylko szkieletowy personel, który pakuje dyski. Czekamy sześć miesięcy, zanim przyleci samolot i przejmie dyski. Skończyło się na tym, że czekaliśmy sześć miesięcy na dane dotyczące bieguna południowego.”

Kolejną kwestią praktyczną była pogoda w każdym miejscu. Radioteleskopy wysokiej częstotliwości, takie jak te użyte w projekcie EHT, są niezwykle wrażliwe na wodę w atmosferze i do skutecznego działania wymagają czystego nieba. Dlatego też większość teleskopów zlokalizowana jest na dużych wysokościach i w bardzo suchej atmosferze, np. na pustyni Atakama w Chile czy Mauna Kea na Hawajach. Mimo to obserwacja wymaga dobrej pogody w każdym miejscu. „Jeśli chcesz, żeby to zadziałało, musisz mieć dobrą pogodę we wszystkich lokalizacjach. Jak się okazuje, zdarza się to raczej rzadko.”

Warunki pogodowe wpływają nie tylko na naukę, ale także na naukowców. Ekstremalna wysokość i niska wilgotność stwarzają wyzwania dla osób pracujących na budowach. „Na szczycie góry jest bardzo mało pary wodnej. To jest jak pustynia. Twoja skóra pęka, musisz zabezpieczyć usta.” A jeśli chodzi o wysokość: „Jesteśmy na wysokościach dochodzących do 6000 metrów. Ciśnienie atmosferyczne stanowi około 60% ciśnienia na poziomie morza. Dostajesz choroby wysokościowej i bólów głowy. Aby dostosować się do warunków, naukowcy aklimatyzują się, spędzając kilka dni na coraz większych wysokościach.

Gromadzenie ludzi i organizacji

EHT był tylko jednym z wielu projektów konkurujących o czas dla różnych teleskopów. Liczba teleskopów jest zbyt duża, co oznacza, że ​​do ich wykorzystania zgłasza się więcej projektów, niż można przydzielić, więc zdobycie czasu na instrumenty może być konkurencyjne. Próbuję zjednać rządy, organizacje i naukowców, aby pozwolili EHT na różne działania teleskopów była „kwestią skręcenia ramion”, zwłaszcza zanim przełomowe wyniki EHT trafiły na pierwsze strony gazet 2019.

Istnieje również kwestia koordynacji ogromnej liczby osób mieszkających w różnych krajach. Ze względów praktycznych posiadanie badaczy mieszkających w strefach czasowych od Azji Wschodniej po Hawaje oznacza, że ​​znalezienie czasu na telekonferencje jest prawie niemożliwe. Ostatecznie Weintroub zorganizował dwie wersje każdego globalnego spotkania, tak aby każdy mógł w nim uczestniczyć bez konieczności wstawania w środku nocy.

Wyzwania osobiste

Istnieje również często pomijany aspekt interpersonalny wspólnej pracy naukowej. „Połączenie wszystkich tych teleskopów zostało przedstawione jako model dla reszty świata współpracy, ale wymagało skomplikowanych negocjacji” – powiedział Weintroub. „Z pewnością wyzwaniem jest sytuacja, gdy współpraca rozrasta się z grupy 12 badaczy do grupy ponad 250 badaczy. W ramach współpracy istnieje pewna doza naturalnej rywalizacji i rywalizacji. To może być trochę osobiste wyzwanie.”

W kręgach naukowych względny wkład autorów w opublikowane prace odzwierciedla się w kolejności, w jakiej wymienione są ich nazwiska. Jednak próba określenia indywidualnego wkładu każdego badacza w tak ogromny projekt była w zasadzie niemożliwa. Niektórzy członkowie zespołu pracowali nad projektem od dziesięciu lat, inni dołączyli dopiero w ciągu ostatnich kilku lat. Na badaczy, zwłaszcza tych na początku kariery zawodowej, wywierana jest ogromna presja, aby ich nazwisko znajdowało się w widocznym miejscu w ważnych publikacjach.

„Było wiele debat na temat autorstwa” – powiedział Weintroub. Ostatecznie w artykułach powstałych w ramach projektu EHT „autorstwo jest czysto alfabetyczne. Po wzięciu udziału w debacie był to jedyny sposób, w jaki można było to zrobić”.

Niezwykły wynik

Cała ta praca i koordynacja pozwoliły uzyskać naprawdę niezwykły wynik, jakim jest pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziury znajdującej się w galaktyce Messier 87. Projekt EHT będzie kontynuowany i dołączy do niego jeszcze więcej teleskopów, które w przyszłości pozwolą na obrazowanie większej liczby czarnych dziur z jeszcze większą czułością.

Zalecenia redaktorów

• Zrobili pierwsze na świecie zdjęcie czarnej dziury. Teraz kręcą wideo
• Astronomowie potrzebują Twojej pomocy w identyfikacji tysięcy czarnych dziur
• Astronomowie przeszukują maleńkie galaktyki, aby zrozumieć ewolucję czarnych dziur
• Nowe badania pokazują, że wokół supermasywnych czarnych dziur mogą powstawać planety
• Astronomowie odkrywają „niemożliwą” czarną dziurę w naszej galaktyce

Ulepsz swój styl życiaDigital Trends pomaga czytelnikom śledzić szybko rozwijający się świat technologii dzięki najnowszym wiadomościom, zabawnym recenzjom produktów, wnikliwym artykułom redakcyjnym i jedynym w swoim rodzaju zajawkom.