Att se det osynliga

Att se det osynliga

En höstkväll förra året var jag på en fest. Jag gick runt och småpratade med folk. I köket frågade en av festdeltagarna vad jag pysslade med om dagarna.

“Jag går en skrivarkurs och skriver om svarta hål”, svarade jag.

“Aha som den där bilden som dök upp i våras?” frågade hon. “Bilden som föreställde ett svart hål?”

“Ja precis,” svarade jag och tänkte att det var en bra konversationsstartare.

Men det var det inte.

“Jag blev så besviken”, sade hon. “Det var ju inget fotografi av ett svart hål. Bilden var något slags manipulation. Färgerna var inte äkta. Det kändes som falsk marknadsföring att kalla det för ett foto.”

Hennes verbala slag träffade rakt i mitt vetenskapliga solar plexus. Var bilden som hyllades världen över en bluff? En manipulation?

Andra festdeltagare dök upp, samtalet tog en annan riktning och frågan om bildens status övergavs snabbt (vilket gav ytterligare bevis till min hypotes att på fester är den genomsnittliga samtalstiden för fysik c:a tre minuter).

Men festdeltagarens påstående har hemsökt mig sen dess.

För hon hade rätt. Bilden av det svarta hålet är inget fotografi i traditionell bemärkelse. Den är en syntes av flera möjliga bilder utspridda över flera observationstillfällen. Denna bildmässiga syntes skiljer sig från ett traditionell foto på tre sätt:

  1. Det ljus som gasen kring det svarta hålet skickar ut och som når oss här på jorden är inte ljus vi kan se med våra ögon. Vi måste därför välja en godtycklig färg när vi vill visa intensiteten på det ljuset i en bild.
  2. Signalen som teleskopen registrerar är svag och ofullständig. Det krävs avancerade algoritmer för att rekonstruera en bild utifrån signalen, och bilden är i viss mening den “mest sannolika” bilden av det svarta hålet.
  3. Det svarta hålet självt förvränger eller slukar det ljus som skickas ut i dess närhet. Det gör att ljuset som väl når oss inte ger en oförmedlad bild av hur det faktiskt ser ut kring det svarta hålet.

Att skapa en visuell representation av vad som händer kring ett svart hål kräver därför andra tekniker och tolkningar än vad vi gör bruk av med våra ögon eller kameror. Vi tvingas tänka om kring vad en bild föreställer och vilken kunskap den förmedlar. På spel står frågan om hur vi representerar ett stycke verklighet som befinner sig vid gränsen för vad vår teknologi klarar av att registrera och för vad naturen tillåter oss att se.

Jag vill därför beskriva hur en av vetenskapshistoriens mest ikoniska bilder blev till.

 

I en galax långt långt borta

De flesta som har vattnat en trädgård med en vattenslang har säkert experimenterat med vattenstrålens storlek. Om slangens munstycke är öppet blir vattenstrålen bred och täcker en stor blomsterarea. Är munstycket mer avsmalnat blir vattenstrålen istället fokuserad.

Med vattenslangens munstycke i färskt minne tar vi nu en titt på den här bilden:

 

Galaxen M87 med tillhörande jetstråle.

Den gula blobben högst uppe till vänster i bilden är galaxen M87. Den ligger 55 miljoner ljusår bort från jorden. Ut ur galaxen skjuter vad astronomerna kallar för en jetstråle. Den består av laddade partiklar som rör sig med enorma energier ut ur galaxen (energin i jetstrålen är c:a 10 trillioner större än den som Vintergatans alla stjärnor ger ifrån sig varje sekund).

Jetstrålen är mer än 5000 ljusår lång. Den är extremt fokuserad (snarare än utspridd över en stor yta ut ur galaxen). Det betyder att vad det än må vara som ger upphov till jetstrålen måste dess mynning vara väldigt liten, precis som en fokuserad vattenstråle ut ur en vattenslang beror på att munstycket är avsmalnat. Jetstrålen är som ett gigantiskt finger som pekar tillbaka in mot galaxens mitt och säger “se här, det måste finnas ett område där enorma krafter verkar på en extremt liten yta”.

När astronomerna lyckades ta bättre och bättre bilder och få mer information om vad som hände inuti galaxen M87 insåg de att jetstrålens ursprung måste vara ett supermassivt svart hål. Bara ett sådant objekt kan vara fokuserad på tillräckligt liten volym och lyckas producera tillräckligt mycket energi på grund av sin enorma gravitation för att skapa en sådan jetstråle.

Det supermassiva svarta hålet i mitten av M87 betecknas M87*. En av astronomernas drömmar är att få en bild av exakt vad som händer runt omkring det svarta hålet för att förstå hur det kan ge upphov till M87:s jetstråle.

Men M87* befinner sig 55 miljoner ljusår bort från oss, och är inte så mycket större än vårt solsystem. Att observera det svarta hålet på ett sådant långt avstånd motsvarar att se en apelsin på månens yta. Räknar man ut hur stort ett teleskop behöver vara för att klara av att observera M87* inser man snabbt att det är omöjligt. Teleskopet behöver nämligen vara lika stort som hela jorden.

Men det finns en genväg. Genom att använda flera teleskop utspridda över hela jorden och kombinera deras data går det att simulera ett teleskop av jordens storlek.

 

Event Horizon Telescope

2009 gick flera forskare och institutioner samman i nätverket Event Horizon Telescope (EHT). De ville använda en teknik för att länka samman flera teleskop och därigenom skapa ett slags super-teleskop som klarade av ett avbilda det svarta hålet i M87.

Teleskopen fanns på Sydpolen, Hawaii, Spanien, Chile och USA:s västkust. Dessa teleskop är radioteleskop. De ser radiovågor som är drygt en millimeter stora. I jämförelse ser våra ögon ljus med en storlek av nästan en mikrometer. Fördelen med radiovågorna som EHT:s teleskop ser är att dessa förmår färdas genom gasen som omgärdar det svarta hålet, ut ur galaxen M87, tvärs genom hela rymden i 55 miljoner år och sedan genom jordens atmosfär och in i teleskopen. Ljus av andra våglängder klarar inte av detta konststycke, eftersom det antingen absorberas av gasen runt det svarta hålet eller av jordens atmosfär.

Att länka samman alla dessa teleskop var inte en enkel uppgift. Teleskopen behövde kalibreras och de enorma datamängderna måste sparas och behandlas i speciella superdatorer.

Teleskopen som ingick i EHT. © Credits: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin.

Men det största problemet är att ett begränsat nätverk av teleskop bara ger en inkomplett bild av vad de har observerat. Om hela jordens yta var täckt av teleskop skulle det gå att se M87* med en fantastiskt bra upplösning. Men eftersom EHT endast hade tillgång till åtta teleskop behövde de använda avancerade bildalgoritmer för att kunna se det som astronomerna trodde var omöjligt: den direkta omgivningen kring ett svart hål.

 

En bild säger mer än tusen terabyte

Att producera den numera ikoniska bilden av M87* var en komplicerad process som krävde många års arbete med att kalibrera teleskop, bearbeta enorma datamängder och utveckla nya bildalgoritmer. I slutändan handlade processen om att reducera datamängden som EHT:s teleskop samlade in, som består av ungefär fem tusen terabyte (fem miljoner hårddiskar som är en gigabyte stora), till en bild som endast har 64 pixlar av oberoende information.

Men datan som teleskopen samlar in motsvarar inte pixlar på en bild. Informationen i en bild kan representeras på två sätt. Antingen kan man spara information om varje enskild pixel som en bild består av. Det är så vi är vana att tänka kring bilder. Ett annat sätt att lagra informationen i en bild är att dela upp den i matematiska grundkomponenter och ange hur mycket styrka varje sådan grundkomponent har. (Båda metoderna innehåller samma information, och de är relaterade via en Fouriertransform.)

EHT:s data bestod av dessa matematiska grundkomponenter snarare än pixlar på en bild. För att få fram en bild behövde de transformera dessa grundkomponenter. Kruxet var att eftersom de bara kunde samla in en begränsad mängd grundkomponenter så fanns det en oändlig mängd möjliga bilder som motsvarade dessa grundkomponenter.

En oändlig mängd möjliga bilder är förstås inte en önskvärd vetenskaplig situation. Men bland dessa möjliga bilder var fler troligare än andra. Vissa kanske bara föreställde rent brus. Andra hade en struktur som påminde om ett hål, en ring och en ljus del i ringen. För att få fram en fysikaliskt rimlig bild behövde EHT utveckla nya algoritmer och använda simulationer för hur det kan se ut kring ett svart hål.

 

Fler algoritmer

När datan var insamlad och arbetet med att få fram en bild började, delade de som arbetade med bildalgoritmerna in sig i fyra grupper. Under flera veckor arbetade de oberoende av varandra med att ta fram en bild. De fick välja vilka algoritmer de ville, men medlemmarna i teamen fick inte prata med medlemmar i andra team. De ville försäkra sig om att de oberoende av varandra kom fram till samma resultat. Anledningen var att ingen visste vad de skulle se, eftersom det var första gången som forskare försökte avbilda omgivningen kring ett svart hål. De ville därför försäkra sig om att de inte påverkade varandra i förutfattade riktningar om vad de “borde” se.

Efter flera veckor kunde de olika teamen jämföra resultaten. Till sin stora glädje såg de att de alla hade fått fram bilder som såg ungefär likadana ut. Det fanns ett hål, en glödande ring och en ljusare del av ringen. Men arbetet var inte klart. De behövde nu gå metodiskt tillväga och testa alla möjliga sätt som algoritmerna kunde extrahera bilder.

Det fanns två möjliga inriktningar. Antingen använde de en algoritm som inte förutsätter något om vad bilden ska föreställa (den algoritmen utvecklades på 70-talet av den svenske astronomen Jan Högbom). Eller så använde de en algoritm som gör vissa antaganden om vad bilden ska föreställa. I det sistnämnda fallet fanns det en risk att antagandena påverkade slutresultat, vilket innebar att forskarna skulle extrahera fram en bild som i viss mening var den de hoppades se.

För att undvika att den mänskliga faktorn påverkade slutresultatet gick EHT systematiskt igenom alla möjliga antaganden. De utgick inte bara från hur ett svart hål förväntas se ut, utan de testade även att ha som antaganden cirklar, diskar, ja de testade även vardagsobjekt från jorden. De delade upp hela bilden i delar och gjorde mer eller mindre godtyckliga antaganden om att varje sådan del såg ut som något vardagsobjekt på jorden. Förhoppningen var att dessa antaganden inte skulle spela någon roll: algoritmerna skulle vara så bra att de trots dessa felaktiga antaganden ändå fick fram bilden av ett svart hål.

Som Katie Bouman, ledare för ett av de fyra team som analyserade EHT:s data, uttryckte det i ett föredrag:

An image of a black hole we’ve never seen before may eventually be created by piecing together pictures that we see all the time of people, buildings, trees, cats and dogs.

De experimenterade också med att använda testbilder och förvränga dem på ett sätt som motsvarade EHT:s begränsade observationsförmåga, för att sedan se om algoritmerna lyckades rekonstruera ursprungsbilden. En av dessa testbilder föreställde en snögubbe. Andra föreställde realistiska bilder på hur det borde se ut kring ett svart hål baserat på simulationer. Algoritmerna klarade uppgiften.

Det tog ungefär ett år för EHT:s bildteam att utveckla och testa algoritmerna. I slutändan hade de tre metoder för att extrahera fram en bild ur datan, och de hade fyra olika observationstillfällen. Totalt blir det tolv olika bilder på det svarta hålet, som du kan se nedan:

 

Bilden av skuggan av det svarta hålet i mitten av galaxen M87. Bilden är rekonstruerad från fyra olika observationstillfällen med hjälp av tre olika metoder.

Den slutgiltiga bilden som spreds över hela världen är ett genomsnitt av dessa bilder.

 

Bild eller foto?

För att sammanfatta skiljer sig EHT:s bild från ett vanligt fotografi på tre sätt:

  1. Ljuset som EHT:s teleskop registrerar är inte synligt för ögat, och intensiteten i ljuset översätts i godtyckligt valda färger.
  2. Eftersom EHT använder ett begränsat antal teleskop kan de inte få en komplett bild av det svarta hålets omgivning. De använder därför flera algoritmer och genomsnitt av flera bilder för att producera den slutgiltiga bilden.
  3. Själva källan, det svarta hålet, förändrar hur ljus färdas kring dess omgivning. Bilden representerar därför inte hur det ser ut kring ett svart hål, utan hur ljus som har lämnat dess omgivning ser ut.

Dessa punkter gör dock inte bilden mindre representativ för vad som händer “i verkligheten”.

Den första punkten, att översätta osynligt ljus till en synlig färgskala, är standard för exempelvis värmekameror eller när tandläkaren röntgar dina tänder. Så här kan en bild från en värmekamera se ut:

 

 

Kroppens värmestrålning består av infrarött ljus. Till skillnad från exempelvis guldfiskar och vägglöss kan vi inte se infrarött ljus. En värmekamera registrerar det infraröda ljuset och översätter det till en färgskala som vi kan se och tolka. Det finns ett godtyckligt moment hur valet av färger (som motsvarar olika våglängder hos det ljus som vi kan se) ska motsvara intensiteten i det infraröda ljuset (som bara består av en våglängd). Så är även fallet med EHT:s bild. De skulle kunna ha valt andra färger än de orangea-röd-eldiga för att representera radiovågornas intensitet. Valet av färg är dock inte helt godtyckligt. EHT använder en färgskala som kallas för perceptually uniform colormap. Det innebär att det är intensiteten i färgen som förändras då intensiteten i radiovågorna förändras. Detta val av färgskala är vanligt för att presentera data på ett sätt som tar hänsyn till att vårt perceptuella system har lättare för att registrera och värdera förändring i intensitet snarare än färgers kulör eller mättnad.

Punkt två, att bearbeta den data som ett instrument samlar in för att representera datan i en synlig bild, är vanligt inom exempelvis medicinsk bildteknologi. Så här ser till exempel insidan av ett huvud ut:

 

 

Bilden är konstruerad med hjälp av magnetisk resonanstomografi. När kroppens protoner interagerar med ett magnetfält skickar de ut signaler. Dessa signaler registreras och blir till data. Men det blir inte automatiskt en bild. Olika algoritmer behöver bearbeta datan och kan utifrån det konstruera bilder av kroppens olika organ.

Varken i fallet med kroppens värmestrålning eller den visuella representationen av insidan av ett huvud skulle vi påstå att bilderna ger en falsk bild av hur verkligheten ser ut.

Den tredje punkten, att ljus inte rör sig i räta linjer från källan till våra ögon, kameror eller teleskop, är vi också alla vana vid till vardags. Så här ser ett sugrör ut som har placerats i ett glas fyllt med vatten:

 

 

Ljuset bryts av då det byter medium från vatten till glas och sedan luft. Det gör att vi inte får en korrekt bild av sugrörets position i vattnet.

Även temperaturskillnader kan förändra ljusets färdväg. Kör man bil längst en uppvärmd väg kan ljuset från himlen böjas av på grund av värmen ovanför vägen och det ser ut som om vägen är fylld av små vattenansamlingar:

 

 

Sådana hägringar kan även få skepp att se ut att flyta ovanför horisonten.

Ljus kan alltså ändra färdriktning när det rör sig mellan olika materiella medium eller områden med olika temperatur. Även gravitation kan förändra ljusets riktning, vilket inte är så mycket konstigare än att gravitation också förändrar massiva kroppars riktning. Vissa forskare tycker även om att modellera ett gravitationsfält som ett optiskt medium.

Så alla de sätt som bilden av M87* skiljer sig från ett vanligt fotografi är vi vana vid att stöta på från bilder och fenomen i vår vardag.

 

Ny kunskap om svarta hål

Vad är det då vi ser på bilden? Det “svarta hålet” i mitten av bilden föreställer inte ett svart hål. Vad vi ser på bilden är ljus som kommer ut från regionen runt omkring det svarta hålet (det vill säga, ljus som inte har fångats av det svarta hålet och som för alltid är omöjligt att se). Den gas som virvlar kring det svarta hålet skickar iväg ljuset. Ljuset kan i sin tur böjas av på grund av det svarta hålets gravitation. Den sammantagna effekten av att det svarta hålet slukar vissa ljusstrålar och böjer av andra gör att det blir ett slags skugga i mitten av gasen. Därför sade också Event Horizon Telescope att bilden föreställer skuggan av ett svart hål snarare än ett svart hål. Skuggen är ungefär 2,6 gånger så stor som det svarta hålet.

Ordet skugga kan eventuellt föra tankarna fel, eftersom en skugga uppstår då en kropp blockerar ljuset från en källa. Det svarta hålet blockerar inte ljus, utan böjer av eller slukar ljus. På grund av det svarta hålets starka gravitation kan det till och med få ljus som kommer från baksidan av det svarta hålet att färdas runt hålet och till slut nå oss, vilket är motsatsen till hur en skugga uppstår då en kropp blockerar ljuset från en ljuskälla. Men ordet skugga är förstås dramatiskt, och i slutändan ser vi trots allt framför oss en ny slags region i universum där de ord vi har utvecklat utifrån våra erfarenheter på jorden kanske inte räcker till.

Ringen runt den mörka delen uppstår då gasen runt det svarta hålet skickar ut ljus. Ringen har två komponenter: dels ljuset från själva gasen, och sedan en del av det ljuset som har fokuserats av det svarta hålet till en ring (en så kallad fotonring). Exakt hur man ska tolka vad som är vad i bilden har gett upphov till kontroverser.

Den ljusare nedre delen i ringen uppstår då gasen rör sig. Den nedre delen av gasen rör sig delvis i riktning mot observatören och den övre delen i motsatt riktning. Rörelsen ger upphov till en förstärkning av ljuset som flödar ut ur gasen.

Att ta bilden av M87* handlade inte bara om att leverera en häpnadsväckande bild till allmänheten. Utifrån den data som EHT samlade in kunde de även uppskatta det svarta hålets massa och hur snabbt det roterar. De kunde utesluta teorier om att det skulle vara ett maskhål eller en naken singularitet (en punkt där rummet och tiden blir oändligt förvridna) som ruvar längst inne i den mörka delen av bilden istället för ett svart hål.

Framför allt visade EHT:s bild att vi nu kan avbilda den direkta omgivningen kring ett svart hål. I en häpnandsväckande video visade EHT med hjälp av flera olika astronomiska bilder hur det skulle se ut om vi blickar upp mot stjärnhimlen och zoomar in ända in till det svarta hålet.

 

Framtidens bilder

För ett år sedan köpte jag en ny mobiltelefon. Den var konstruerad av ett större kinesiskt företag. Jag blev chockad över hur bra bilder mobiltelefonen kunde ta. Det berodde inte på att linserna och kameran i mobilen var speciellt mycket bättre än dem i andra mobiltelefoner. Hemligheten med de fantastiska bilderna fanns i mjukvaran. De bildalgoritmer som kameran använder för att efterbehandla bilderna har blivit väldigt avancerade.

De flesta bilder vi ser idag har efterbehandlats på något sätt. Inget fotografi ger en oförmedlad inblick i verkligheten (om något sådant finns överhuvudtaget). Men vissa bilder ger mer information om verkligheten än andra. På sätt och viss kanske det är just de bilder som har mer behandling och som har behövt kläs upp som låter oss se längre in i naturen än andra.

EHT:s bild är en visuell representation av ett svart hål. När vi närmar oss gränserna för vad vår teknologi klarar av och gränserna för vad som överhuvudtaget går att se i naturen kommer vi behöva omdefiniera vår uppfattning om vad en bild är. Vi kan inte utgå från vårt evolutionära sätt att registrera en begränsad mängd ljus eller våra vanliga kameror, eftersom de inte ger hela bilden av vad som händer i naturen.

Jag blev helt häpen när EHT:s bild släpptes. Svarta hål är inte science fiction. De spelar en avgörande roll för galaxers utveckling och stjärnors död. Och tack vare EHT kan vi studera dem på nära håll.

Previous Teleskopet som såg ett svart hål
Next Gravitationens klockor

Leave a comment