Praca przy Teleskopie Horyzontu Zdarzeń – rozmowa z Maciejem Wielgusem

Dla tych, którym jeszcze nie zbrzydło zagadnienie czarnej dziury w M87, mam miłą niespodziankę. O komentarz poprosiłem jednego z uczestników projektu EHT. Maciej Wielgus opowiedział mi dlaczego nie ujrzeliśmy oblicza Sagittariusa A* i co czeka Teleskop Horyzontu Zdarzeń w przyszłości.

Ambitny plan zarejestrowania śladu horyzontu zdarzeń czarnej dziury wymagał złożonej i wieloetapowej współpracy ośmiu radioteleskopów oraz kilkunastu renomowanych placówek naukowych z całego globu. W zbieranie, a zwłaszcza analizę petabajtów danych zaangażowano ponad dwieście zdolnych głów: fizyków teoretycznych, astrofizyków, astronomów, radioastronomów, programistów oraz inżynierów. W tym szacownym gremium nie zabrakło polskich nazwisk. Prof. Monika Mościbrodzka z Uniwersytetu im. Radbouda w Nijmegen zajmowała się tworzeniem teoretycznych modeli horyzontu zdarzeń, koniecznych do interpretacji zarejestrowanych sygnałów. Z kolei związany z Uniwersytetem Harvarda dr Maciej Wielgus, odpowiadał za statystyczną walidację danych.

Korzystając z okazji, zaczepiłem pana doktora i zadałem mu kilka pytań na temat wiekopomnego sukcesu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń oraz planów na przyszłość.

Zespół analizujący dane Teleskopu Horyzontu Zdarzeń: Wielgus, Bouman i Haworth
Zespół analizujący dane EHT podczas ogłoszenia wyników w Waszyngtonie. Od lewej: Maciej Wielgus, Katie Bouman i Kari Haworth.

W pierwszej kolejności muszę przekornie zapytać o to, co nie wypaliło. Wiele osób (w tym ja sam) było święcie przekonanych, że na konferencji 10 kwietnia zaprezentowane zostaną wyniki obserwacji Sagittariusa A*. Dlaczego zamiast tego dostaliśmy M87?

Sagittarius A* jest ponad 1000 razy mniej masywny. Oznacza to, że charakterystyczny okres zmienności dla Sagittariusa to minuty, a nie dni, jak w przypadku M87. Z tego względu trudno jest skonstruować pojedynczy obraz reprezentujący całą moc obserwacji.

Co dokładnie powinniśmy rozumieć przez “okres zmienności”?

W teorii względności masa obiektu wyznacza związaną z danym obiektem skalę czasu. Może to być na przykład czas jaki zajęłoby światłu przebycie odległości odpowiadającej rozmiarowi horyzontu zdarzeń albo najkrótszy stabilny okres kołowej orbity wokół centralnego obiektu.

Ale jednak długo mówiło się o Sagittariusie. Kiedy właściwie Pan i reszta zespołu wiedzieli już, która z czarnych dziur zostanie pokazana światu?

W maju 2018 wykonaliśmy pierwszą kompletną (choć jeszcze nie finalną) kalibrację danych M87. Na tym etapie, nawet bez obrazowania, dla mnie i dla innych uczestników prac nad kalibracją danych stało się jasne, że dane wspierają kształt pierścienia. Pierwsze obrazy M87 uzyskaliśmy na początku czerwca 2018 i wtedy stało się dla nas oczywiste, że pokażemy światu ten piękny wynik.

I najważniejsze: czy temat jądra naszej galaktyki wciąż jest na tapecie? Czy w przyszłości możemy się spodziewać opublikowania podobnego obrazu Sagittariusa A*? Mam w tym “osobisty” interes, bo już nawet przygotowałem tekst na tę okazję. 🙂

Centrum Drogi Mlecznej wymaga niestety trochę więcej pracy zarówno nad kalibracją danych jak i nad algorytmami obrazowania. Zajmujemy się tymi pracami i wyniki na pewno będą warte tego wysiłku!

Czyli żadnej dokładnej daty na razie nie wyznaczono. Ale powinniśmy się spodziewać rezultatów w ciągu miesięcy, roku, czy może dopiero za kilka lat?

Trudno wyznaczyć konkretną datę na tym etapie pracy. Ale skrajne odpowiedzi – “miesiąc” i “kilka lat” – możemy raczej wykluczyć.

Przechodząc do M87. Rozumiem ten wybór, bo jest to dziura naprawdę dorodna i relatywnie bliska (potężne kwazary leżą znacznie dalej). Ale czy na początku w grę wchodziły w ogóle inne kandydatki?

Poza M87 i Sagittariusem nie ma innych obiektów na niebie z dostateczną wielkością kątową, aby móc je obrazować w skali horyzontu zdarzeń. Być może w przyszłości dołączenie radioteleskopu w przestrzeni kosmicznej do EHT pozwoliłoby zaobserwować cienie kilku innych czarnych dziur: między innymi M104 (Galaktyka Sombrero). EHT obserwował też inne źródła, o których powstaną w nieodległej przyszłości interesujące prace, ale nie będą to obrazy w rozdzielczości bliskiej promienia czarnej dziury.

Przed tą rozmową zapytałem czytelników, czego chcieliby się dowiedzieć na temat M87. Sporo osób zadało pytanie o rotację czarnej dziury. Wiemy, że materia w dysku akrecyjnym potrafi zbliżać się do prędkości bliskich światłu. Czy sama dziura również obraca się w takim tempie?

Rotacja czarnej dziury ma mały wpływ na geometrię obrazu i na obecnym etapie badań nie potrafimy się o niej wypowiedzieć. Jest szansa, że badania pola magnetycznego i czasowej zmienności źródła pozwolą nam w przyszłości wypowiedzieć dokładniej się o rotacji czarnej dziury.

Dżet w galaktyce M87

A co z dżetem? Teleskopy Hubble’a i Chandra uchwyciły swego czasu zdumiewający strumień o długości 5 tys. lat świetlnych. Dlaczego na obrazie go nie widzimy?

EHT jest teleskopem, który jest czuły na bardzo drobne skale przestrzenne w obrazie, co pozwoliło uchwycić pierścień o średnicy zaledwie około 40 mikrosekund łuku – cień M87. Ale EHT słabo radzi sobie z dostrzeganiem większych struktur i rekonstruuje obrazy o małym zakresie dynamicznym (rozpiętości tonalnej), stąd nie udało się zaobserwować podstawy dżetu i tego jak się ona ma do struktury cienia czarnej dziury. Dodanie kolejnych teleskopów do EHT pozwoli poradzić sobie z obydwoma tymi problemami.

Czy w otrzymanym obrazie jest cokolwiek co może zaskakiwać lub zastanawiać, czy jednak dostaliśmy 100-procentowe potwierdzenie dotychczasowych modeli teoretycznych?

Wynik dobrze pasuje do predykcji teorii względności. To, że obraz będzie zdominowany przez cień czarnej dziury, a nie na przykład przysłonięty przez struktury podstawy dżeta, już takie oczywiste początkowo nie było. Należy podkreślić, że obserwacyjne potwierdzenie teorii jest zawsze ważnym wydarzeniem, chociaż rozumiem pewien niedosyt ze strony teoretyków czekających na pierwszy wyłom w teorii względności.

Wielu takich badaczy, którzy obstawialiby złapanie jakichś anomalii chyba nie było?

Podobnie jak kilka lat temu w kontekście fal grawitacyjnych, większość naukowców spodziewało się wyników zgodnych z teorią względności. Niemniej prace na temat alternatyw są obecne w mainstreamie astrofizyki i wielu badaczy rozważało, jak mógłby wyglądać obraz, gdyby centralny obiekt był gwiazdą bozonową, wormholem (tunel czasoprzestrzenny – przyp.), nagą osobliwością, albo rozwiązaniem równań alternatywnej teorii grawitacji. Trywializując te możliwości wpadamy w pułapkę XIX-wiecznego naukowca, zadowolonego z opisu świata przez newtonowską mechanikę i obwieszczającego wszem i wobec koniec fizyki.

Zawsze w takich sytuacjach ciekawi mnie jak w ogóle dostaje się angaż do tak wspaniałego programu jak EHT? Co należało do pańskich zadań?

Trafiłem do projektu rozpoczynając staż podoktorski w Black Hole Initiative przy Uniwersytecie Harvarda w USA w roku 2017. Wcześniej byłem związany z Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie i z Wydziałem Mechatroniki Politechniki Warszawskiej. W projekcie byłem odpowiedzialny za statystyczną walidację danych i modelowanie błędów systematycznych, ale przyłożyłem się też do pracy nad algorytmami redukcji danych i nad analizą polaryzacji i czasowej zmienności danych.

Obecnie jest Pan więc związany z Harvardem. Jaka droga wiedzie z Warszawy na trzeci najbardziej renomowany uniwersytet świata (według rankingu Quacquarelli Symonds)?

A mówili mi, że Harvard jest numerem jeden! 🙂 Odpowiedziałem na ogłoszenie o pracę pod kierunkiem Shepa Doelemana, dyrektora EHT, w ramach Black Hole Initiative Fellowship. Wydaje mi się, że o zaoferowaniu mi tej pozycji zadecydowało połączenie mojego doświadczenia w interferometrii, przetwarzaniu obrazu i teorii względności. Nie jest to najpopularniejsza kombinacja umiejętności, a na pewno bardzo pożyteczna dla pracy przy Teleskopie Horyzontu Zdarzeń.

Zastanawia mnie, jak wyglądała praca pańskiego zespołu. Osobiście nie obsługiwaliście żadnego z ośmiu radioteleskopów, ale dane z nich wszystkich spływały do was i czekały na analizę. Czy tak?

Droga, którą przebywają dane z teleskopów, to fizyczny transport do korelatorów (Westford w Massachusetts i Bonn w Niemczech). Z tych petabajtów informacji uśredniają się terabajty w skali 2 tygodni dzięki pracy specjalnego superkomputera. Naukowcy odpowiedzialni za korelacje umieszczają te dane następnie na serwerze, i wtedy pracę zaczynają grupy Calibration i Error Analysis Working Group, w której właśnie pracuje, a która posiada głównych członków w Bostonie (Massachusetts), Tucson (Arizona) i Nijmegen (Holandia). Jeśli znajdziemy problem z danymi, to go identyfikujemy, naprawiamy i powtarzamy korelacje. Dla danych z 2017 roku było 7 takich iteracji zanim rozwiązaliśmy wszystkie problemy. Następnie przeprowadzamy dokładniejszą kalibrację fazową niż mechaniczny korelator, co pozwala uśrednić dane jeszcze bardziej i kalibrujemy amplitudę sygnału, dzięki czemu z bezwymiarowej wielkości odpowiadającej statystycznemu współczynnikowi korelacji sygnałów otrzymujemy fizyczny pomiar spektralnej gęstości strumienia promieniowania.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń
Radioteleskopy zaangażowane w Teleskop Horyzontu Zdarzeń.

I wszystko jasne. 😉 Co będzie dalej? Czy EHT będzie nadal funkcjonował? Czy w ogóle mówi się o perspektywie jego rozbudowy?

Tak, planujemy kolejne obserwacje w roku 2020, w którym dołączą teleskopy na Grenlandii, Kitt Peak w Arizonie i NOEMA we Francji. Planujemy też dalszą rozbudowę. Testujemy możliwości obserwacji w jeszcze krótszych falach, co zwiększyłoby rozdzielczość. Poza tym obserwacje w kolejnych latach i badanie postaci źródła w różnych częstotliwościach jest również bardzo ważne. Pełne opracowanie wyników kampanii obserwacyjnych z 2017 i 2018 również zapewni nam zajęcie na długi czas.

Wspomniał Pan Doktor wcześniej, że zdolności obserwacyjne zostałyby zwiększone przez dodanie Teleskopów Kosmicznych. To na razie tylko luźna idea, czy może, któreś z już istniejących lub planowanych obserwatoriów orbitalnych mogłoby zostać włączonych do projektu?

Są to idee wciąż na bardzo wczesnym etapie, ale już dziś aktywnie pracujemy nad wstępnymi propozycjami potencjalnych misji i pozyskaniem niezbędnego finansowania.

Czy EHT – wbrew swojej nazwie – posłuży nam do innych celów niż oglądanie horyzontów zdarzeń?

Tak, wykonaliśmy obserwacje kilku innych źródeł, odległych kwazarów, w tym 3C279 wykorzystanego jako jasny kalibrator dla M87. Chociaż rozdzielczość nie jest wystarczająca, żeby dojrzeć otoczenie wokół samego horyzontu, będą to bardzo ciekawe badania wewnętrznej części struktur akrecyjnych, z niespotykaną do tej pory w tym zakresie fali rozdzielczością.

Czy wiąże Pan osobiście swoją przyszłość z Teleskopem Horyzontu Zdarzeń? Możemy spodziewać się pańskiego podpisu pod kolejnymi wielkimi odkryciami? 🙂

Zdecydowanie tak i to już w niedalekiej przyszłości!

Dr Maciej Wielgus pozdrawia Kwantowo.pl

Serdeczne dzięki za poświęcony czas. Oczywiście życzę kolejnych sukcesów (i wyczekuję obrazu  Sagittariusa A*)!

Z Maciejem Wielgusem rozmawiał
Adam Adamczyk

Kopernik nie była kobietą! Ani księdzem! Głupota na niedzielę: Już dziś zobaczysz Jowisza gołym okiem! Sagan o aborcji – w poszukiwaniu odpowiedzi