Hur forskare samarbetade för att skapa världens första bild av ett bakre hål

I april förra året gick en koalition av hundratals forskare från hela världen samman för att uppnå något som tidigare ansetts omöjligt: ​​att producera första bilden någonsin av ett svart hål, som en del av projektet Event Horizon Telescope (EHT).

Jonathan Weintroub är en elektroingenjör och vetenskapsman som spelade en huvudroll i utformningen av digital instrumentering för hela arrayen, och som har varit involverad i EHT sedan dess tidigaste etapper. Digital Trends pratade med honom om utmaningarna med att föra samman så många människor, institutioner och teleskop med ett gemensamt mål.

Den här artikeln är en del av vår serie, Innovation genom samarbete

Samarbete är mänsklighetens superkraft. Det har möjliggjort några av de mest betydande framstegen som världen någonsin har sett, och i den här serien, vi kommer att visa upp några av de mest otroliga och inspirerande exemplen på att samarbete sker rätt nu.

Eftermontering av teleskop för en ny funktion

Projektet krävde användning av åtta olika teleskop på sex olika platser. Dessa teleskop var dock inte skräddarsydda för denna uppgift - Weintroub och hans kollegor tog befintliga teleskop och försåg dem med ny utrustning för att göra dem till en del av en global uppsättning.

De flesta av teleskopen var enstaka paraboliska skålar, till exempel South Pole Telescope i Antarktis eller IRAM 30-meters teleskop i Spanien, "så de ser ut som din parabol för din tv, men större", Weintroub förklarade. Teamet monterade två utrustningar till varje maträtt: Först fanns det en digital backend bestående av en analog till digital-omvandlare och en Linux-dator med 256 terabyte lagringsutrymme per inspelare. Fyra av dessa brännare per plats innehöll totalt 1,2 petabyte data.

För det andra fanns det en atomklocka, eftersom exakta tidsstämplar är viktiga för att få exakta avläsningar över hela arrayen. "Det är storleken på ett sovsalskylskåp, och det håller tiden inom ungefär en sekund var tionde miljon år," sa Weintroub.

Några av de inblandade teleskopen var arrayer som bestod av flera skålar, till exempel Submillimeter Array på Hawaii eller Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array i Chile. För EHT-projektet måste dessa arrayer fungera som en enda station. Detta innebar ett extra bearbetningssteg, som Weintroub förklarade: "Istället för att göra den standardbearbetning som vi gör på signaler bygger vi ett speciellt instrument som summerar utsignalen från varje teleskop i arrayen och presenterar bara en signal för digitalisera.”

Ett sammanträffande av bra väder

När data väl har samlats in vid varje teleskopplats skickades den till en central plats för bearbetning, antingen i Massachusetts eller i Bonn, Tyskland. Men "1,2 petabyte på varje station är alldeles för mycket data för att skicka över internet," sa Weintroub. "Så vi packar dessa diskar fysiskt i en låda och vi skickar dem till en central plats."

Skivorna från teleskopet på Sydpolen visade sig dock vara en utmaning. "Varken FedEx eller UPS betjänar Sydpolen, och när vi gör observationen i april finns det ingen flygtjänst. I slutet av februari stängde de av flygplanen och det finns bara en skelettpersonal där som packar skivorna. Vi väntar ett halvår innan ett flygplan kommer och tar körningarna. Det slutade med att vi väntade sex månader på sydpolsdata."

En annan praktisk fråga var vädret på varje plats. Högfrekventa radioteleskop, som de som används i EHT-projektet, är extremt känsliga för vatten i atmosfären och kräver klar himmel för att fungera effektivt. Det är därför de flesta av teleskopen är placerade på hög höjd med mycket torr atmosfär, som Atacamaöknen i Chile eller Mauna Kea på Hawaii. Trots det kräver observationen bra väder på varje enskild plats. "Om du vill att det ska fungera måste du ha ett sammanträffande av bra väder på alla platser. Det händer ganska sällan, som det visar sig.”

Väderförhållandena påverkar inte bara vetenskapen, utan även forskarna. Den extrema höjden och den låga luftfuktigheten medför sina egna utmaningar för människor som arbetar på anläggningarna. "Det finns mycket låg vattenånga på toppen av berget. Det är som en öken. Din hud spricker, du måste sätta skydd på dina läppar.” Och när det kommer till höjd, "Vi är uppe på höjder på upp till 6 000 meter. Atmosfärstrycket är cirka 60 % av det vid havsnivån. Du får höjdsjuka och du får huvudvärk.” För att anpassa sig till förhållandena vänjer sig forskarna genom att tillbringa några dagar på allt högre höjder.

Samla människor och organisationer

EHT var bara ett av många projekt som konkurrerade om tiden på de olika teleskopen. Teleskop är övertecknade, vilket innebär att fler projekt ansöker om att använda dem än vad som kan tilldelas, så det kan vara konkurrenskraftigt att få tid på instrumenten. Försöker fånga regeringar, organisationer och forskare för att ge EHT tid på de olika teleskop var en "fråga om armvridning", särskilt innan EHT: s landmärkeresultat skapade rubriker 2019.

Och det är frågan om att samordna ett stort antal människor som bor i olika länder. Det praktiska med att ha forskare som bor i tidszoner från Östasien till Hawaii gör att det är nästan omöjligt att hitta en tid att träffas för telefonkonferenser. Det slutade med att Weintroub organiserade två versioner av varje globalt möte, bara så att alla kunde delta i ett utan att behöva gå upp mitt i natten.

Personliga utmaningar

Det finns också den ofta förbisedda interpersonella aspekten av vetenskapligt samarbete. "Sammanförandet av alla dessa teleskop har presenterats som en modell för resten av samarbetsvärlden, men det innebar komplicerade förhandlingar," sa Weintroub. "Det finns verkligen en utmaning när samarbetet växer från en grupp på 12 forskare till en grupp på över 250. Inom samarbetet finns det en viss naturlig konkurrens och rivalitet. Det kan vara lite av en personlig utmaning.”

I vetenskapliga kretsar återspeglas författares relativa bidrag till publicerade artiklar i den ordning som deras namn är listade. Men att försöka fastställa varje forskares individuella bidrag till ett så stort projekt var i princip omöjligt. Vissa teammedlemmar hade arbetat med projektet i ett decennium, medan andra bara anslöt sig under de senaste åren. Och det finns en enorm press på forskare, särskilt de tidigt i karriären, att få sitt namn framträdande i viktiga publikationer.

"Det var mycket debatt kring författarskap," sa Weintroub. I slutändan, i artiklarna från EHT-projektet, "är författarskapet rent alfabetiskt. Efter att ha varit en del av debatten var detta det enda sättet det kunde ha gjorts.”

Ett anmärkningsvärt resultat

Allt detta arbete och koordination uppnådde ett verkligt anmärkningsvärt resultat av den första bilden någonsin av ett svart hål, beläget i galaxen Messier 87. Och EHT-projektet kommer att fortsätta, med ännu fler teleskop som går med i projektet för att avbilda fler svarta hål med ännu större känslighet i framtiden.

Redaktörens rekommendationer

• De tog världens första svarta hålsfoto. Nu spelar de in en video
• Astronomer vill ha din hjälp att identifiera tusentals svarta hål
• Astronomer söker i små galaxer för att förstå utvecklingen av svarta hål
• Planeter kan bildas runt supermassiva svarta hål, visar ny studie
• Astronomer upptäcker ett "omöjligt" svart hål i vår galax

Uppgradera din livsstilDigitala trender hjälper läsare att hålla koll på den snabba teknikvärlden med alla de senaste nyheterna, roliga produktrecensioner, insiktsfulla redaktioner och unika smygtittar.