A Csillagok között c. filmben
testközelből megszemlélhetünk egy óriási fekete lyukat.
A fekete lyuk erős gravitációs vonzása
fénylő gázokkal a háttérben
a fényt gyűrűvé hajlítja.
De ez nem valódi fénykép,
hanem számítógépes grafika,
amely művészi ábrázolás arról, milyen lehet egy fekete lyuk.
Száz éve
Albert Einstein először ismertette általános relativitáselméletét.
Az azóta eltelt években
a tudósok sok bizonyítékkal támasztották alá.
De az elméletileg megjósolt egyik dolgot, a fekete lyukat,
közvetlenül még nem sikerült megfigyelni.
Bár némi fogalmunk van róla, milyen lehet a fekete lyuk,
eddig még nem fotóztuk le.
Ám talán meglepőnek hangzik, a helyzet hamarosan megváltozhat.
Pár éven belül lehet, hogy meglátjuk a fekete lyukat ábrázoló első fotót.
Az első kép kutatók nemzetközi csapatának,
egy Föld-méretű távcsőnek s egy algoritmusnak lesz köszönhető,
amely összerakja a végleges képet.
Noha ma nem tudok valódi képet mutatni egy fekete lyukról,
azért röviden ismertetem
az első kép készítésére tett erőfeszítéseket.
Katie Boumannak hívnak,
az MIT PhD-hallgatója vagyok.
A számítógép-tudományi laborban kutatok,
ahol fotókat és videókat átnéző számítógépeket fejlesztünk.
Ugyan nem vagyok csillagász,
de azért bemutatom,
mivel járulok hozzá e nagyszerű munkához.
Ha ma este elhagyják a város fényeit,
talán szerencséjük lesz, és megpillantják
a Tejút lenyűgöző látványát.
Ha behatolhatnánk a milliónyi csillag közé,
26 000 fényévnyire a spirál alakú Tejút közepe felé,
pont a középen elérnénk egy csillaghalmazhoz.
A galaktikus porfelhőn infravörös távcsővel áthatolva
a csillagászok e csillagokat már több mint 16 éve kémlelik.
A leglátványosabbat viszont nem látják.
A csillagok egy láthatatlan objektum körül keringenek.
E csillagok pályáját elemezve
a csillagászok arra következtetnek,
hogy a mozgást okozó elég kicsi, de nagy tömegű test nem más,
mint egy óriási sűrűségű fekete lyuk,
ami oly sűrű, hogy mindent beszippant, ami túl közel vetődik hozzá.
Még a fényt is.
Mi történne, ha még jobban ki tudnánk nagyítani a képet?
Meglátnánk-e valamit, ami eredendően láthatatlan?
Kiderül, hogy ha a nagyítást a rádióhullámok tartományában végezzük,
fénygyűrű látványára számíthatunk,
amelyet a fekete lyuk körül örvénylő forró plazma
gravitációs fókuszálása okoz.
Azaz,
a fekete lyuk árnyékot vet a fényes anyag hátterére,
ezzel egy sötét gömböt metszve ki.
E fényes gyűrű feltárja a fekete lyuk eseményhorizontját,
ahol a gravitációs vonzás akkora,
hogy még a fény sem szabadul ki.
Einstein egyenletei megadják a gyűrű méretét és alakját,
ezért a lefényképezése nemcsak klassz lenne,
hanem igazolná, hogy az egyenletek érvényesek
a fekete lyuk körüli különleges viszonyok közt is.
De a fekete lyuk oly messze van tőlünk,
hogy a Földről a gyűrű elképesztő kicsinek látszik:
akkorának, mint egy narancs a Hold felszínén.
Ezért a fényképezése nagyon nehéz.
Hogy miért?
Az egész egy egyszerű egyenletre vezethető vissza.
A fényelhajlás jelensége miatt
alapvető korlátai vannak annak,
hogy mi a legkisebb méretű, még látható tárgy.
Az egyenlet szerint, hogy egyre kisebb tárgyakat lássunk,
növelnünk kell távcsövünk méretét.
De még a legerősebb földi optikai távcsővel sem érjük el
a kellő felbontást
a Hold felszínének lefényképezéséhez.
Ez a legnagyobb felbontású kép, amelyet valaha
a Holdról készítettek a Földről nézve.
Kb. 13 000 pixel felbontású,
s mégis, minden pixelben több mint 1,5 millió narancs férne el.
Milyen nagy távcső kellene ahhoz,
hogy meglássunk egy narancsot a Hold felszínén,
vagy célpontunkat, a fekete lyukat az égbolton?
Ha egy kicsit bűvészkedünk a számokkal,
kiderül, hogy akkora távcső kellene,
mint amekkora maga a Föld.
(Nevetés)
Ha Föld-méretű távcsövet építenénk,
csak akkor pillanthatnánk meg
a fekete lyuk eseményhorizontját jelző fénygyűrűt.
Bár a kép nem tartalmazná a számítógépes grafika kínálta
valamennyi részletet,
módot adna rá, hogy az első megbízható pillantást vethessük
egy fekete lyuk környezetére.
Nem vitás,
hogy Föld-méretű parabolaantennát lehetetlen építeni.
De Mick Jagger ismert szavaival szólva:
"Nem mindig kaphatod meg, amit szeretnél,
de ha néha megpróbálod,
tán megkapod, amire szükséged van."
Ha a világ távcsöveit összekapcsoljuk
az "Eseményhorizont Távcső" együttműködés keretében,
Föld-méretű számítási távcső keletkezik,
amely a fekete lyuk eseményhorizontja nagyságrendű
felbontásra képes.
Ezzel a távcsőhálózattal az első képek a fekete lyukról
2017-re várhatók.
A világméretű hálózatban az összes távcső együttműködik.
Atomórák pontos időzítése révén
a kutatócsoportok minden látványnál befagyasztják a fényt
több ezer terabyte adat összegyűjtésével.
Az adatokat aztán itt, Massachusettsben dolgozzák föl.
Miképpen?
Emlékszenek, hogy a fekete lyuk megpillantásához
Föld-méretű távcsövet kellene építenünk?
Tegyük föl, hogy tudnánk
ilyen Föld-méretű távcsövet készíteni.
Ez egy kissé olyan lenne, mintha a Földet
hatalmas forgó diszkógömbbé változtatnánk.
Minden egyes tükör fényt gyűjtene,
amelyet aztán képpé állítanánk össze.
Tegyük föl, hogy eltávolítanánk a tükrök zömét,
és csak pár darab maradna.
Még mindig össze tudnánk belőle hozni az információt,
bár sok lyuk maradna.
A maradék tükrök megfelelnek a távcsöves helyeknek.
Hihetetlenül kevés mérésből kell összeállítanunk a képet.
Bár csak kevés távcsőhelyen gyűjtjük a fényt,
ahogy a Föld forog, új mérési adatok is előkerülnek,
azaz a diszkógömb forgásakor a tükrök változtatják a helyüket,
és a kép más-más részét figyelhetjük meg.
Képalkotó algoritmusunk kipótolja a diszkógömb hiányzó részeit,
hogy így építse újra a fekete lyuk valódi képét.
Ha bolygónkon mindenütt volna távcsövünk,
azaz teljes diszkógömbünk,
a feladat egyszerű lenne.
De most csak néhány részletet látunk,
s ezért végtelen számú képünk lehet,
amelyek mind következnek a távcsöves mérések eredményeiből.
Ám nem minden kép egyenrangú.
Némelyikük jobban hasonlít az elképzelt képre.
Szerepem a fekete lyukról készítendő első képben annyi,
hogy a mérésekkel egybevágó, legindokoltabb képet megtalálni képes
algoritmusokat megtervezzem.
Ahogy a bűnügyi fantomkép-rajzoló
az arc szerkezetéről szóló hiányos leírást használva összerakja a képet,
az általam fejlesztett képalkotó algoritmusok hiányos mérési adatokból
olyan képhez vezetnek, amely hasonlít, univerzumunk e képződményére.
Az algoritmusokkal szórványos, zajos adatokból
rakhatjuk össze a képeket.
Itt szimulált adatokból készített minta-rekonstrukció látható,
mintha távcsövünket
a galaxisban lévő fekete lyukra szegeznénk.
Ez csak szimuláció, de a rekonstrukció reményt keltő,
hogy nemsokára meglesz az első képünk,
és belőle meghatározhatjuk a gyűrű méretét.
Noha szívesen részletezném az algoritmust,
szerencséjükre, erre nincs időm.
De röviden fölvázolom,
milyennek képzeljük az univerzumot,
és ebből hogyan rekonstruáljuk és igazoljuk az eredményeinket.
Mivel végtelen számú lehetséges képünk van,
amelyek tökéletesen egybevágnak a mérésekkel,
valahogy választanunk kell közülük.
Ehhez rangsoroljuk a képeket,
mennyire hasonlítanak a fekete lyuk feltételezett képére,
majd kiválasztjuk a legvalószínűbbet.
Ez pontosan hogyan értendő?
Tegyük föl, hogy modellezni szeretnénk,
mennyire valószínű egy kép előfordulása a Facebookon.
Azt kellene a modellnek mondania,
hogy kétséges, hogy valaki ilyen szemcsés képet tesz föl, mint a bal oldali,
s elég valószínű, hogy egy ilyen szelfit,
mint a jobb felől láthatót.
A középső kép elmosódott,
s bár nagyobb valószínűséggel láthatjuk a Facebookon,
mint a szemcsés képet,
de kisebb valószínűséggel, mint a szelfit.
De a fekete lyukak képeinél
igazi rejtéllyel kerülünk szembe, hiszen azokat még sohasem láttuk.
Ez esetben vajon milyen lehet a képe,
és milyennek föltételezzük a szerkezetét?
Megkísérelhetjük fölhasználni a képet a szimulációból,
pl. a Csillagok között c. filmből,
de ez több problémát vetne föl.
Mi van, ha Einstein elmélete nem helytálló?
Továbbra is azt szeretnénk felidézni, hogy mi történt valójában.
Ha algoritmusunkat túlságosan Einstein egyenleteire építjük,
akkor pontosan azt fogjuk látni, amire számítunk.
Tehát nyitva kell hagyni annak lehetőségét,
hogy galaxisunk közepében esetleg egy óriási elefánt van.
(Nevetés)
A különböző képfajtáknak nagyon eltérők a tulajdonságaik.
Könnyen meg tudjuk különböztetni a szimulációs képeket
a Földről készített képektől.
Valahogy meg kell mondanunk az algoritmusnak, milyenek a képek,
bármely képi jellemző túlhangsúlyozása nélkül.
Erre az egyik módszer,
hogy különféle képek jellemzőivel látjuk el,
és megnézzük a föltételezett képtípus hatását a rekonstrukcióra.
Ha minden képtípus hasonló képet állít elő,
akkor biztosabbak lehetünk benne,
hogy a készülő feltételezett képek nem nagyon torzítanak.
Ez egy kicsit olyan, mintha a világ három fantomkép-rajzolójának
ugyanazt a leírást adnánk meg.
Ha mindhárman egymásra nagyon hasonlító képet készítenek,
akkor biztosabbak lehetünk benne,
hogy kultúrájukból eredő elfogultságuk rajzaikra nem nyomja rá bélyegét.
Egy másik módszer,
ha meglévő képek darabkáit használjuk föl.
Rengeteg képet
fölszabdalunk kis képrészletekre.
Majd a képrészleteket úgy foghatjuk föl, mint a kirakós játékot.
Az ismert kirakóst olyan képpé rakjuk össze,
amely megfelel a mérési eredményeinknek.
A különféle képtípusoknak nagyon eltérő kirakós darabjai vannak.
Mi történik, ha ugyanahhoz az adathoz
a rekonstrukció folyamán más-más kirakós darabkákat rendelünk hozzá?
Kezdjük a szimulációs kirakós darabkákkal!
Elfogadhatónak látszik.
Ilyennek képzeljük a fekete lyukat.
De vajon azért jutottunk e képhez,
mert a szimulációs képecskéket tápláltuk be?
Válasszunk másik kirakós képhalmazt,
most csillagászati, nem feketelyuk-objektumokról.
Hasonló képhez jutunk.
Mi a helyzet a nap mint nap látható képek esetében,
amiket mi magunk fotózunk?
Remek, ugyanazt a képet kapjuk!
Ha különféle képhalmazból ugyanazt a képet kapjuk,
már kissé biztosabbak lehetünk benne,
hogy a képekre vonatkozó föltevésünk
nem torzítja túlságosan a kész képet.
Van még egy módszer: ugyanazokból a kirakós darabkákból,
pl. a nap mint nap készített fotókból
sokféle forrásképet rekonstruálhatunk.
Szimulációnkban föltesszük, hogy a fekete lyuk
hasonlít a csillagászati nem feketelyuk-objektumokra,
ahogy a szokásos képek hasonlítanak a galaxis közepén lévő elefántra.
Ha algoritmusunk lenti eredményei nagyon hasonlítanak
a szimulációnak a dián fönt látható valódi képére,
akkor biztosabbak lehetünk az algoritmusunkban.
Hangsúlyozom, hogy minden képet
úgy hoztunk létre,
hogy olyan szokásos fotók darabkáit raktuk össze,
amilyeneket saját fényképezőgépünkkel is készíthetünk.
A sohasem látott fekete lyuk képe
megalkotható a nap mint nap látható képek részleteinek összerakásával.
Ezek emberek, házak, fák, macskák, kutyák képei.
Az ilyen képalkotási elvek lehetővé teszik,
hogy elsőként készítsünk képet a fekete lyukról,
s igazolhassuk a tudósok mindennapi munkája alapjául szolgáló
híres elméleteket.
De az ilyen képalkotási ötletek kidolgozása nem lett volna lehetséges
kutatók ragyogó csapata nélkül,
amilyennel magamnak is megtiszteltetés dolgozni.
Örömmel tölt el,
hogy bár asztrofizikai tudás nélkül kapcsolódtam a munkába,
e kivételes együttműködés révén elértük,
hogy elsőként készíthetünk képet egy fekete lyukról.
De az Eseményhorizont Távcsőhöz hasonló nagy kezdeményezések sikere
a különböző területekről érkező szakemberek közös
interdiszciplináris ismereteinek köszönhető.
Csillagászok, fizikusok, matematikusok
és mérnökök olvasztótégelye vagyunk.
Ez teszi hamarosan lehetővé,
amit valaha lehetetlennek hittünk.
Mindenkit arra szeretnék ösztönözni,
hogy segítsen tágítani a tudomány határait
még akkor is, ha elsőre olyan rejtélyesnek látszik, mint egy fekete lyuk.
Köszönöm.
(Taps)