في الفيلم (إنترستلر)،
نشاهد نظرة عن قرب لثقب أسود ضخم.
في الخلفية يوجد غاز متوهج،
قوة الجاذبية الهائلة لهذا الثقب الأسود
تشكل الضوء على شكل حلقة.
ولكن هذه الصورة غير حقيقية،
بل رسماً تقريبياً باستخدام الكمبيوتر
تعبير فني عمّا قد يكون شكّل الثقب الأسود في الواقع.
قبل 100 عام،
نشر ألبرت آينشتاين نظريته عن النسبية العامة.
وخلال السنوات التي تلت،
قدم العلماء العديد من البراهين المؤيدة لهذه النظرية.
ولكن أحد الأمور الواضحة من تلك النظرية وهي الثقوب السوداء،
لم تتم رؤيتها بشكل مباشر بعد.
وبالرغم من أنه يوجد تصور عما يمكن أن يكون عليه شكل الثقب الأسود،
إلا أننا لم نلتقط صورة لأحدها حتى الآن.
ولكن، لربما تتفاجأون إن عرفتم أن هذا سيتغير قريبًا.
هناك احتمال أن نشاهد أول صورة لثقب أسود خلال السنوات القليلة المقبلة.
ستكون مسؤولية التقاط الصورة موكلة لفريق دولي من العلماء،
تيليسكوب بحجم الأرض تقريبًا
وخوارزمية تعمل على وضع أجزاء الصورة النهائية معًا.
وبالرغم من أنني لن أتمكن من عرض صورة حقيقة لكم اليوم،
إلا أنني أود أن أعرض لكم جزءًا بسيطًا من الجهد المبذول
لالتقاط أول صورة.
اسمي كيتي بومان،
وأنا طالبة دكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
أجري أبحاثي في مختبر علوم كمبيوتر
وهي تهدف لجعل الكمبيوتر يبصر من خلال الصور والفيديو.
وبالرغم من أنني لست عالمة فلك،
أود أن أعرض لكم اليوم
كيف تمكنت من المساهمة في هذا المشروع المثير.
إن غادرت المدينة هذه الليلة بعيدًا عن الأضواء،
فلربما يحالفك الحظ وتستطيع أن تشاهد منظرًا رائعًا
لمجرة درب التبانة.
وإن استطعت أن تقرب الصورة متجاوزًا ملايين النجوم
26 ألف سنة ضوئية باتجاه مركز درب التبانة المتلألئ
سنصل في نهاية المطاف إلى مجموعة من النجوم في المركز تمامًا.
وبإستخدام تيليسكوبات بالأشعة تحت الحمراء لكي تخترق الغبار الكوني،
تمكن علماء الفلك من مراقبة تلك النجوم طوال 16 عامًا.
ولكن الأكثر دهشة هو ما لا يقدرون على رؤيته.
يبدو أن هذه النجوم تدور حول جسم خفي.
بتتبع مسار هذه النجوم،
توصل علماء الفلك لنتيجة
أن الشيء الوحيد الصغير والثقيل القادر على التسبب في هذه الحركة
هو ثقب أسود هائل جداً
وهو شيء كثيف جدًا لدرجة أنه يمتص أي شيء يقترب منه
حتى الضوء.
لكن ماذا يحدث إن تمكنّا من تقريب الصورة أكثر؟
هل من الممكن أن نشاهد شيئًا، يفيد تعريفه بعدم القدرة على رؤيته؟
حسنا، تبين لنا أنه في حال كبرنا الصورة على مستوى موجات الراديو،
نتوقع أن نرى حلقة مكونة من الضوء
ناتجة عن الجاذبية الكبيرة للبلازما الساخنة
التي تدور حول الثقب الأسود.
بمعنى آخر،
يلقى الثقب الأسود بظله على هذه الخلفية من المواد المشعة،
ناحتة بذلك كرة من الظلام.
تكشف هذه الحلقة المشعة أفق الثقب الأسود،
حيث تكون قوى الجاذبية كبيرة للغاية لدرجة
أن حتى الضوء لا يستطيع الفرار.
تنبأت معادلات آينشتاين بحجم وشكل تلك الحلقات،
لذا التقاط صور لها لن يكون مذهلًا فقط،
لكن سيكون برهاناً على أنّ تلك المعادلات صحيحة
حتى في الظروف المتطرفة التي توجد بقرب الثقب الأسود.
إلا أنّ الثقب الأسود على بعد كبير من مكاننا،
فمن الأرض تبدو تلك الحلقات صغيرة جداً
كحجم ثمرة برتقال على سطح القمر.
هذا ما يجعل مهمة التقاط صورة لها شاقة للغاية.
لكن لماذا؟
يعتمد الأمر بمجمله على معادلة بسيطة.
هذا سببه ظاهرة تسمى انحراف الضوء،
توجد حدود أساسية
لأصغر الأشياء التي يمكن أن نراها.
المعادلة القاعدة تنص أنّه إذا رغبنا في رؤية أشياء أصغر وأصغر،
فيجب أن يكون حجم التيليسكوبات أكبر وأكبر.
ولكن حتى باستخدام أقوى التيليسكوبات البصرية هنا على الأرض،
لا يمكننا أن نصل إلى الدقة المطلوبة
لصورة جسم ما على سطح القمر.
في الواقع، أعرض لكم هنا أحد أكثر الصور دقةً والتي تم التقاطها من قبل
لسطح القمر من الأرض.
تحتوي على 13 ألف بيكسل تقريبًا،
بالرغم من ذلك، يمكن أن يحتوي كل بيكسل على 1.5 مليون برتقالة.
بالتالي كيف يجب أن يكون حجم التليسكوب
لكي نتمكن من رؤية البرتقالة على سطح القمر
وثقب أسود في ذات الوقت؟
بإجراء الحسابات الضرورية يتضح لنا،
أنّنا سنكون بحاجة إلى تليسكوب
بحجم كوكب الأرض.
(ضحك)
إن تمكنّا من بناء هذا التليسكوب بحجم الأرض،
فسنتمكن من أن نبدأ في ملاحظة حلقة الضوء المميزة تلك
التي تدل على حدوث ثقب أسود في الأفق.
بالرغم من أن هذه الصورة لن تحتوي على كافة التفاصيل التي نراها
في رسوم الكمبيوتر التقريبية،
ستتيح لنا أن نلقي أول نظرة ممكنة بكل أمان
على البيئة المحيطة بالثقب الأسود.
ولكن كما يمكنكم أن تتصوروا،
فإن بناء تيليسكوب بطبق واحد كبير بحجم الأرض هو أمر مستحيل.
ولكن بتعبير ميك جاغر الشهير،
"لا يمكنك دوماً الحصول على ما تريد،
ولكن إن حاولت أحيانًا، فلربما تجد
وتحصل على ما تحتاجه".
وبإيصال تليسكوبات من جميع أنحاء العالم،
فإن تعاون دولي يسمى تليسكوب أحداث الأفق
يعمل على إيجاد تليسكوب يدار بالكمبيوتر بحجم الأرض،
قادر على تحليل تركيبة
حدث بحجم أفق الثقب الأسود.
هذه الشبكة من التليسكوبات من المقرر أن تلتقط أول صورة
لثقب أسود العام المقبل.
جميع هذه التليسكوبات في الشبكة العالمية تعمل معًا.
وبربطها معًا من خلال توقيت دقيق باستخدام الساعات الذرية،
تقوم فرق من الخبراء في كل موقع بتجميد الضوء
عن طريق تجميع آلاف (التيرابايت) من البيانات.
ثم تتم معالجة هذه البيانات في مختبر هنا في (ماساتشوتس).
ولكن كيف يمكن لهذا كله أن ينجح؟
هل تذكرون أنه إن أردنا رؤية ثقب أسود في وسط مجرتنا،
فإنه يتوجب علينا بناء تليسكوب بحجم الأرض؟
لنتظاهر لثانية واحدة أنه بمقدورنا بناء
تليسكوب بحجم الأرض.
سيكون الأمر مشابهًا لتحويل الأرض
لكرة كبيرة لامعة في نادي للديسكو.
ستلتقط كل من هذه المرايا الضوء
ويمكننا بعد ذلك تجميعه لكي نكون صورة.
ولكن لنفترض أننا أزلنا معظم هذه المرايا
وتبقى القليل منها.
يمكننا الاستمرار في محاولة جمع هذه المعلومات معًا،
ولكن الآن نجد الكثير من الفراغات بها.
هذه المرايا المتبقية تمثل المواقع التي تتواجد بها التليسكوبات.
وهذه أعداد صغيرة جدًا من القياسات التي تمكننا من إنشاء صورة منها.
ولكن بالرغم من أننا نجمع الضوء من مواقع تليسكوبات قليلة،
فإن دوران الأرض يمكننا من رؤية حسابات أخرى جديدة.
بمعنى آخر، أثناء دورانها، كما كرة الديسكو، تغير المرايا موقعها
ونتمكن من رؤية أجزاء أخرى من الصورة.
خوارزمية الصور التي طورناها تُمكننا من تعويض النقص في كرة الديسكو
لكي نتمكن من صنع صورة للثقب الأسود.
لو توافر لنا تليسكوبات في جميع أنحاء العالم--
-- بمعنى آخر، في جميع أنحاء كرة الديسكو
سيكون هذا قليل الأهمية.
ولكننا نقدر أن نرى بعض النماذج ولهذا السبب
يوجد عدد غير محدود من الصور المحتملة
التي يمكن أن تكون متوافقة تمامًا مع قياسات التليسكوبات لدينا.
لكن ليست كل الصور متماثلة،
بعض هذه الصور تتطابق مع تصورنا لما يمكن أن تكون الصور عليه أكثر من غيرها.
ولذا، فإن مهمتي للمساعدة والحصول على أول صورة للثقب الأسود
هي تصميم خوارزمية تعمل على إيجاد أكثر الصور منطقية
وتتطابق مع مقاسات التليسكوب كذلك.
وبصورة مشابهة لكيفية عمل رسام الطب الشرعي حيث يستخدم أوصاف محددة
لتركيب صورةٍ ما مستخدمين معرفتهم بتركيب الوجه،
فإن خوارزمية الصور التي طورتها تستخدم بيانات التليسكوب المحدودة
لكي تدلنا على الصورة التي تطابق ما هو موجود في كوننا.
باستخدام هذه الخوارزميات، تمكنّا من أن نجمع معًا قطع صور
من ضوضاء البيانات هذه وصخبها.
أعرض هنا مثال لإعادة بناء صورة مستخدمين بيانات المحاكاة،
عندما نتظاهر بتوجيه التيليسكوبات
باتجاه الثقب الأسود في منتصف مجرتنا.
بالرغم من أنّ هذه محاكاة لإعادة البناء إلا أنها تعطينا الأمل
أننا سنتمكن قريبًا من التقاط الصورة الأولى لثقب أسود
ونقدر من خلالها على تقدير حجم الدوائر حولها.
بالرغم من أنني أود الاسترسال في شرح هذه الخوارزمية،
إلا أنّه لحسن حظكم، ليس لدي الوقت الكافي.
ولكنني أرغب في أن أعطيكم فكرة مبسطة
عن كيفية تعريفنا لمظهر الكون،
وكيف يمكن أن نستخدم ذلك لإعادة تركيب والتأكد من نتائجنا.
بما أنه يوجد عدد غير محدود من الصور الممكنة
التي يمكن أن تشرح بامتياز قياسات التيليسكوبات،
إلا أننا يجب أن نختار من بينها بطريقة ما.
نقوم بذلك عن طريق ترتيب الصور
بناءً على احتمالية أنها تكوّن صورة لثقب أسود،
ومن ثم اختيار الصورة الأكثر احتمالية.
ما الذي أعنيه بذلك بالضبط؟
لنفترض أننا نحاول أن نصنع نموذجًا
يمكن أن يخبرنا عن مدى احتمالية ظهور صورةٍ ما على الفيسبوك.
غالبًا سنرغب في أن يخبرنا النموذج
أنه من المستبعد أن يقوم شخص بنشر الصورة غير واضحة إلي ناحية اليسار،
لكن من المحتمل جداً أن ينشر صورة شخصية له
كالصورة الموجودة على اليمين.
الصورة التي في الوسط هي ضبابية،
وبالرغم من أنّ حتمالية رؤيتها على الفيسبوك أعلى
مقارنة بالصورة غير واضحة،
وهي أقل احتمالية أن نشاهدها مقارنة بالصورة الشخصية.
لكن عندما يتعلق الأمر بصور لثقب أسود،
فإننا نواجه معضلة حقيقية: لم يسبق وأن شاهدنا ثقباً أسوداً حقيقياً من قبل.
في هذه الحالة، ما هي الصورة الأقرب للثقب الأسود،
وما هي الافتراضات التي يجب أن تكون لدينا عن بنية الثقب الأسود؟
يمكن أن نحاول استخدام صور ناتجة عن محاكاة أجريت سابقًا،
كما الصورة في الفيلم (انترستلر)،
لكن يمكن حدوث مشاكل حقيقية في حال قمنا بهذا.
ما الذي يمكن أن يحدث إن لم تثبت نظريات (آينشتاين) صحتها؟
رغبتنا ستستمر في إنشاء صورة دقيقة عمّا يجري.
إن قمنا بإضافة معادلات (آينشتاين) بشكل جيد إلى خوارزمياتنا،
فسينتهي بنا المطاف لرؤية ما نتوقع أن نراه.
بكلام آخر، نحن نرغب في جعل الخيار متاحًا
لإمكانية وجود فيل ضخم في مركز مجرتنا.
(ضحك)
لكل نوع من الصور خصائص تنفرد بها.
يمكننا بكل سهولة أن نميز بين صور محاكاة الثقب الأسود
والصور التي نلتقطها يوميًا هنا على الأرض.
نحن بحاجة إلى أن تكون الخوارزميات قادرة على معرفة خصائص الصور
دون أن تطغى خصائص نوع معين من الصور على الأنواع الأخرى.
إحدى الطرق للتغلب على هذا،
هي بفرض خصائص أنواع مختلفة من الصور
ومن ثم نشاهد كيف يمكن أن تؤثر على الصور التي يتم تكوينها.
في حال كانت الصور الناتجة من مختلف الخصائص متشابهه فيما بينها،
عندها يمكننا أن نكون أكثر ثقة
أن الافتراضات التي نكونها للصورة لن تكون منحازة لخصائص نوع محدد.
الأمر مشابهة لإعطائنا وصفاً واحداً
لثلاثة رسامين مختلفين في جميع أنحاء العالم.
إن قام الجميع بتقديم صورة مشابهة للوجه،
فإننا سنكون أكثر ثقة
أنهم لم يقوموا بعكس أنماطهم المجتمعية في رسوماتهم التي رسموها.
إحدى الطرق لفرض خصائص صور مختلفة
هي باستخدام أجزاءٍ من صور موجودة لدينا.
نقوم بأخذ عدد كبير من الصور،
ونقوم بتحويلها إلى قطع صغيرة جدًا من الصور المتجاورة.
ومن ثم نقوم بالتعامل مع كل مجموعة من الصور الصغيرة كما قطع الأحاجي المتفرقة.
ونقوم باستخدام أجزاء الأحجية الصغيرة لدينا لكي نكون صورة
تتوافق مع قياسات التليسكوب لدينا.
والأنواع المختلفة من الصور لديها قطع مختلفة تمامًا عن الأخرى.
إذا ما الذي يحدث عندما نستخدم ذات البيانات
ولكن نستخدم أجزاءً مختلفة من الأحاجي لإعادة بناء الصورة؟
لنبدأ أولًا مع قطع أحجية محاكاة صورة الثقب الأسود.
حسنًا، هذا يبدو منطقيًا.
هذا ما نتوقع أن يبدو عليه منظر الثقب الأسود.
لكن هل حصلنا على هذا
لأننا قمنا باستخدام قطع صغيرة من صور محاكاة الثقب الأسود؟
لنستخدم أجزاء أحجية أخرى
لأجسام فلكية مختلفة عن الثقب الأسود.
حسنًا، حصلنا على صورة مشابهة
ثم ماذا عن قطع من صور يومية،
مثل الصور التي تلتقطها بكاميرتك الخاصة؟
رائع، نحن نرى صورة مماثلة.
عندما نحصل على ذات الصورة بعد استخدام أجزاء أحاجي من مجموعات مختلفة،
عندها يمكننا أن نكون أكثر ثقة
أن افتراضات الصور التي لدينا
لن تكون منحازة للصور النهائية بشكل كبير.
شيء آخر يمكننا القيام به وهو أخذ أجزاء الأحجية ذاتها
مثل الأجزاء من الصور الملتقطة يوميًا،
ونستخدمها لإعادة تركيب العديد من الصور الأصلية المختلفة.
لذا في محاكاتنا،
نتظاهر أن الثقب الأسود يبدو كجسم فلكي مختلف عن الثقوب السوداء،
كما الصور اليومية كالفيل الموجود في وسط مجرتنا.
عندما تبدو النتائج من الخوارزمية في الأسفل مشابهة
لنتائج المحاكاة التي تظهر في الأعلى،
عندها نبدأ في اكتساب ثقة أكبر في الخوارزمية.
وأود أن اؤكد هنا
أنّ جميع هذه الصور تم صنعها
بجمع قطع صغيرة من صور ملتقطة يوميًا،
كالتي تلتقطونها باستخدام كاميراتكم الخاصة.
لذا صورة الثقب الأسود التي لم نرها من قبل
ربما نتمكن من صناعتها في نهاية المطاف من صور نراها يوميًا
للناس أو المباني أو الأشجار أو القطط والكلاب.
تخيل مثل هذه الأفكار سيتيح لنا
أن نلتقط أول صورة للثقب الأسود،
ونأمل أن نتمكن من التأكد من صحة هذه النظريات الشهيرة
التي يعتمد عليها العلماء يوميًا.
لكن بالطبع، تخيُّل أن أفكار كهذه قد تنجح
لم يكن ليكون متاحًا دون فريقٍ مذهلٍ من الخبراء
ولدي الحظ الكبير للعمل معهم.
ما زال الأمر يدهشني
أنه بالرغم من أنني بدأت هذا المشروع دون أي خبرة بعلم الفلك،
ما تمكنّا من تحقيقه من خلال تعاوننا الفريد
قد ينتج عنه أول صورة للثقب الأسود.
لكن مشاريع كبيرة مثل تليسكوب الآفاق
هي ناجحة بسبب الخبرات التي تنتمي للعديد من التخصصات
التي يتشارك بها العديد من الناس
نحن مجموعة كبيرة من علماء الفلك،
الفيزيائيين وخبراء الرياضيات والمهندسين.
هذا سيجعلنا قريبًا قادرين
على تحقيق شيءٍ كنّا نظنه مستحيلًا.
أود أن أشجعكم جميعًا للخروج
ومساعدتنا على توسيع حدود العلم،
حتى وإن كانت تبدو في البداية غامضة كما يبدو الثقب الأسود.
شكرًا جزيلًا.
(تصفيق)