Filme „Interstellar“
galime iš arti pažvelgti į gigantišką juodąją skylę.
Ryškių dujų fone
juodosios skylės gravitacinė trauka
sulenkia šviesą į žiedą.
Vis dėlto, tai ne tikra nuotrauka,
o kompiuterinis atvaizdavimas.
Tai – meninė interpretacija to, kaip galėtų atrodyti juodoji skylė.
Prieš šimtą metų
Albertas Einšteinas pirmasis paskelbė savo bendrąją reliatyvumo teoriją.
Nuo to laiko
mokslininkai pateikė daug įrodymų jai pagrįsti.
Tačiau viena šios teorijos prognozė – juodosios skylės –
vis dar nebuvo tiesiogiai pastebėta.
Nors mes galime įsivaizduoti, kaip juodoji skylė galėtų atrodyti,
iš tikrųjų niekada nesame jos nufotografavę.
Tačiau nustebsite sužinoję, kad netrukus tai gali pasikeisti.
Po kelių metų galime pamatyti pirmąją juodosios skylės nuotrauką.
Šios nuotraukos sėkmė priklausys nuo tarptautinės mokslininkų komandos,
Žemės dydžio teleskopo
ir algoritmo, kuris sudės galutinį atvaizdą.
Nors šiandien negalėsiu parodyti tikros juodosios skylės nuotraukos,
pasistengsiu sudaryti jums įspūdį apie dedamas pastangas
tam pirmajam atvaizdui padaryti.
Mano vardas yra Katie Bouman,
esu doktorantė MIT universitete. Atlieku
tyrimus informatikos laboratorijoje, kuri
siekia, kad kompiuteriai galėtų analizuoti atvaizdus ir
ir vaizdo įrašus. Nors ir nesu astronomė,
norėčiau jums parodyti,
kaip man pavyksta prisidėti prie šio nuostabaus projekto.
Jei eisite pasivaikščioti anapus ryškių miesto šviesų,
jums gali nusišypsoti laimė pamatyti stulbinantį
Paukščių Tako galaktikos vaizdą.
Ir jei galėtumėte prašvilpti pro milijonus žvaigždžių,
26 000 šviesmečių link besisukančio Paukščių Tako centro,
galiausiai pasiektumėte žvaigždžių spiečių pačiame centre.
Žvelgdami pro galaktines dulkes infraraudonųjų spindulių teleskopais,
astronomai stebėjo šias žvaigždes daugiau nei 16 metų.
Bet labiausiai įspūdinga yra tai, ko jie nemato.
Atrodo, kad šios žvaigždės skrieja apie nematomą objektą.
Sekdami šių žvaigždžių takus,
astronomai padarė išvadą,
kad vienintelis toks mažas ir sunkus, dalykas galintis sukelti šį
judėjimą, yra gigantiška juodoji skylė –
objektas toks tankus, kad susiurbia viską, kas priartėja pernelyg arti –
net šviesą.
Bet kas nutiktų, jei pažiūrėtume dar iš arčiau?
Ar įmanoma pamatyti kažką, ko iš esmės neįmanoma pamatyti?
Pasirodo, kad, jei vaizdą priartintumėme iki radijo bangų ilgio,
tikėtumėmės pamatyti šviesos žiedą,
sukurtą karštos plazmos gravitacinio lęšio,
švilpiantį aplink juodąją skylę.
Kitaip tariant,
juodoji skylė meta šešėlį ant šio šviesios medžiagos fono,
sukurdama tamsos skliautą.
Ryškus žiedas atskleidžia juodosios skylės įvykių horizontą,
kuriame gravitacinė trauka tokia stipri,
kad net šviesa negali ištrūkti.
Einšteino lygtys numato šio žiedo dydį ir formą,
todėl jį nufotografuoti ne tik būtų nuostabu,
bet ir padėtų patvirtinti, kad šios lygtys veiktų ir
ekstremaliomis sąlygomis aplink juodąją skylę.
Vis dėlto, juodoji skylė yra taip toli nuo mūsų,
kad iš Žemės šis žiedas atrodo nepaprastai mažas –
tokio paties dydžio, kaip mums atrodytų apelsinas ant Mėnulio paviršiaus.
Todėl ją nufotografuoti yra itin sunku.
Kodėl taip yra?
Na, viskas susiveda į paprastą lygtį.
Dėl reiškinio, vadinamo difrakcija,
yra fundamentalios ribos
mažiausiems objektams, kuriuos galime pamatyti.
Ši lygtis sako, kad, norint pamatyti vis mažesnius objektus,
mums reikia vis didesnio teleskopo.
Bet net ir naudodami galingiausius optinius teleskopus Žemėje,
net nepriartėjame prie reikalingos rezoliucijos,
reikalingos atvaizduoti Mėnulio paviršių.
Tiesą sakant, čia rodau vieną iš aukščiausios raiškos Mėnulio nuotraukų,
kada nors padarytų iš Žemės.
Nuotraukoje yra maždaug 13 000 pikselių,
tačiau kiekviename pikselyje tilptų per 1,5 milijono apelsinų.
Taigi, kokio dydžio teleskopo reikia,
norint pamatyti apelsiną ant Mėnulio paviršiaus
ir, tuo pačiu, mūsų juodąją skylę?
Na, pasirodo, kad gerai paskaičiavę,
galėtumėte apskaičiuoti, kad reikėtų teleskopo,
kurio dydis būtų sulig Žeme.
(Juokas.)
Jei galėtume sukurti tokį Žemės dydžio teleskopą,
galėtume pamažu atskirti tą charakteringą šviesos žiedą,
kuris nurodo juodosios skylės įvykių horizontą.
Nors šioje nuotraukoje nebūtų visų detalių,
matomų kompiuteriniame atvaizdavime,
tai padėtų mums užtikrintai susidaryti pirmąjį įspūdį
apie artimiausią juodąją skylę supančią aplinką.
Tačiau, kaip galite įsivaizduoti,
pastatyti vienos lėkštės teleskopo, kuri būtų Žemės dydžio, yra neįmanoma.
Bet, kaip sakė Mickas Jaggeris,
„Ne visada gali gauti tai, ko nori,
bet jei bandai, kartais gali rasti
tai, ko tau reikia.“
Sujungdami teleskopus visame pasaulyje,
tarptautinis projektas pavadinimu „Įvykių horizonto teleskopas“
kuria Žemės dydžio skaičiuojamąjį teleskopą,
kuris pajėgus skirti struktūras
juodosios skylės įvykių horizonto mastu.
Planuojama, kad šis teleskopų tinklas pirmąjį juodosios skylės atvaizdą
padarys kitais metais.
Kiekvienas teleskopas pasauliniame tinkle veikia kartu.
Susietos preciziškais atominiais laikrodžiais,
mokslininkų komandos kiekviename taške sustingdo šviesą,
surinkdami tūkstančius terabitų duomenų.
Tuomet šie duomenys apdorojami laboratorijoje, čia pat, Masačiusetse.
Taigi, kaip tai apskritai veikia?
Atsimenate, kad norint pamatyti juodąją skylę mūsų galaktikos centre,
mums reikia sukurti neįmanomai didelį Žemės dydžio teleskopą?
Trumpam apsimeskime, kad galime sukurti
Žemės dydžio teleskopą.
Tai būtų šiek tiek panašu į Žemės pavertimą
milžinišku diskotekos rutuliu.
Kiekvienas atskiras veidrodis surinktų šviesą,
kurią mes galėtume sujungti ir paversti nuotrauka.
Tačiau, sakykime, pašaliname daugumą šių veidrodžių
ir lieka tik keli.
Mes vis dar galėtume bandyti sujungti šią informaciją,
tačiau dabar yra daug skylių.
Šie likę veidrodžiai ženklina vietas, kuriose yra mūsų teleskopai.
Tai itin menkas matavimų skaičius nuotraukai sudaryti.
Vis dėlto, nors surenkame šviesą tik keliose teleskopų buvimo vietose,
Žemei besisukant, gauname ir kitų matavimų.
Kitaip tariant, „diskotekos rutuliui“ besisukant, šie veidrodžiai keičia vietas
ir mes turime galimybę pamatyti skirtingas vaizdo dalis.
Mūsų kuriami vizualizavimo algoritmai užpildo „diskotekos rutulio“ spragas
ir padeda mums atkurti slypintį juodosios skylės vaizdą.
Jei teleskopai būtų išdėstyti visame pasaulyje –
kitaip tariant, pilnas „diskotekos rutulys“ –
tai būtų nereikšminga.
Tačiau mes matome tik keletą vaizdo dalių ir todėl
egzistuoja begalinis galimų vaizdų skaičius,
kurie visiškai atitinka mūsų išmatavimus teleskopu.
Vis dėlto, ne visi vaizdai yra vienodai naudingi.
Kai kurie šių vaizdų labiau panėšėja į tai, ką laikome vaizdais, nei kiti.
Tad mano vaidmuo bandant padaryti pirmąją juodosios skylės nuotrauką
yra algoritmų, kurie rastų tinkamiausią vaizdą ir atitiktų
teleskopo išmatavimus, kūrimas.
Kaip ir kriminalinės ekspertizės ekspertai naudojasi ribotais apibūdinimais,
kad sudėliotų vaizdą pasinaudodami savo žiniomis apie veido struktūrą,
mano vizualizavimo algoritmai naudoja ribotus teleskopų duomenis,
kad padėtų mums atkurti vaizdą, kuris atrodytų kaip visatoje matomi dalykai.
Naudodami šiuos algoritmus, mes galime sudėlioti vaizdus
iš šių negausių, chaotiškų duomenų.
Čia demonstruoju bandomąją rekonstrukciją, sukurtą naudojant netikrus duomenis,
įsivaizduojant, kad nukreipiame teleskopus
į juodąją skylę, esančią mūsų galaktikos centre.
Nors tai tik simuliacija, rekonstrukcijos, tokios kaip ši, mums suteikia vilties, kad
netrukus galėsime patikimai padaryti pirmąją juodosios skylės nuotrauką
ir ja remdamiesi nustatyti jos žiedo dydį.
Nors aš mielai ir toliau pasakočiau apie šio algoritmo detales,
jūsų laimei, neturiu tiek laiko.
Bet vis tiek norėčiau trumpai papasakoti,
kaip mes apibrėžiame visatos išvaizdą
ir kaip tai naudojame rezultatams atkurti ir patikrinti.
Kadangi egzistuoja begalinis galimų vaizdų skaičius,
kurie puikiai pateisina mūsų teleskopų išmatavimus,
kažkokiu būdu mums reikia iš jų išskirti tinkamus.
Tai darome klasifikuodami vaizdus pagal
tikimybę būti juodosios skylės vaizdu,
tada išsirenkame vieną, kuris yra labiausiai tikėtinas.
Taigi, ką aš noriu tuo pasakyti?
Tarkime, mes bandome sukurti modelį,
kuris mums nurodytų tikimybę, kad vaizdas atsiras „Facebook“ tinkle.
Norėtume, kad modelis parodytų,
kad mažai tikėtina, jog kažkas paskelbtų šį kairėję esantį vaizdą su triukšmu,
ir gana tikėtina, kad paskelbtų asmenukę,
tokią, kaip ši dešinėje.
Vaizdas viduryje yra neryškus,
todėl, nors ir labiau tikėtina pamatyti jį „Facebook“,
palyginti su vaizdu su triukšmu,
turbūt mažiau tikėtina, kad pamatytume jį, o ne asmenukę.
Bet, kai kalbame apie juodosios skylės vaizdus,
susiduriame su tikra mįslė – mes dar niekada nematėme juodosios skylės.
Tad koks yra tikėtinas juodosios skylės atvaizdas
ir kaip turėtume įsivaizduoti juodųjų skylių struktūrą?
Galėtume naudoti vaizdus iš mūsų atliktų simuliacijų,
tarkime, juodosios skylės vaizdas iš „Interstellar“,
bet jei tai padarytumėme, galėtume sukelti rimtų problemų.
Kas nutiktų, jei Einšteino teorijos nepasitvirtintų?
Mes vis tiek norėtume atkurti tikslų vaizdą, to, kas ten vyksta.
Jei mes pernelyg pasikliausime Einšteino lygtimis savo algoritmuose,
galų gale tiesiog pamatysime tai, ką ir tikėjomės pamatyti.
Kitaip tariant, norime pasilikti galimybę, kad
mūsų galaktikos centre yra milžiniškas dramblys.
(Juokas.)
Skirtingi atvaizdų tipai turi labai skirtingas ypatybes.
Galime lengvai atskirti sumodeliuotus juodosios skylės atvaizdus
nuo kasdien čia, Žemėje, padaromų nuotraukų.
Turime kažkaip nurodyti savo algoritmams, kaip atrodo nuotraukos,
pernelyg neprimetant vieno nuotraukų ypatybių tipo.
Vienas būdų, kaip galėtume tai išspręsti,
yra įvairių vaizdų tipų priskyrimas,
o tada išsiaiškinti, kaip pateiktas vaizdas veikia mūsų rekonstrukcijas.
Jei visų nuotraukų tipai pateikia labai panašiai atrodantį atvaizdą,
tuomet galime būti labiau tikri,
kad mūsų daromos prielaidos apie atvaizdus nėra pernelyg šališkos.
Tai šiek tiek panašu į to paties apibūdinimo pateikimą trims
skirtingiems kriminalinės ekspertizės ekspertams iš viso pasaulio.
Jei jie visi gauna labai panašiai atrodantį veidą,
tuomet galime būti tikri,
kad jie savo piešiniams neprimeta savo kultūrinio šališkumo.
Vienas būdų priskirti skirtingas vaizdų ypatybes
yra esančių nuotraukų naudojimas.
Taigi paimame didelę nuotraukų kolekciją
ir nuotraukas suardome į mažas nuotrupas.
Tada kiekvieną nuotrupą galime traktuoti kaip dėlionės gabaliuką.
Naudojame dažnai matomus dėlionės gabaliukus atvaizdui sudaryti,
kuris taip pat atitinka mūsų teleskopo išmatavimus.
Skirtingi atvaizdų tipai turi labai savitus dėlionės gabaliukų rinkinius.
Taigi, kas nutinka, kai paimame tuos pačius duomenis,
bet naudojame skirtingus dėlionės gabaliukų rinkinius atvaizdui atkurti?
Pirma pradėkime nuo juodosios skylės atvaizdo modelio dėlionės gabaliukų.
Gerai, tai atrodo visai priimtina.
Tai atrodo taip, kaip ir manome atrodant juodąją skylę.
Bet ar šį atvaizdą gavome
tik todėl, kad jį gavome iš mažų juodosios skylės simuliacijos vaizdų?
Paimkime kitą dėlionės gabaliukų rinkinį
naudodami astronominius ne juodosios skylės objektus.
Gerai, dabar gauname panašų vaizdą.
O kaip dėl gabaliukų iš kasdienių nuotraukų,
pavyzdžiui, tokių, kurias padarote savo fotoaparatu?
Puiku, mes matome tą patį vaizdą.
Kai gauname tą patį vaizdą iš skirtingų dėlionės gabaliukų rinkinių,
tuomet galime būti labiau tikri,
kad mūsų daromos prielaidos apie atvaizdą
nedaro pernelyg daug įtakos galutiniam atvaizdui.
Taip pat galime paimti tą patį dėlionės gabaliukų rinkinį,
pavyzdžiui iš gabaliukų, gautų iš kasdienių nuotraukų,
ir jį panaudoti rekonstruodami daugybę įvairių pirminių vaizdų.
Modeliuodami įsivaizduojame,
kad juodoji skylė atrodo kaip astronominiai ne juodosios skylės objektai
o taip pat ir kasdieniai vaizdai, tokie kaip dramblys mūsų galaktikos centre.
Kai mūsų algoritmų rezultatai apačioje atrodo labai panašūs į
simuliacijos tikrąjį vaizdą, esantį viršuje,
galime būti labiau tikri savo algoritmais.
Čia aš būtinai noriu pabrėžti,
kad visos šios nuotraukos sukurtos
sujungiant mažas daleles iš kasdienių nuotraukų,
tokių, kurias padarote savo fotoaparatu.
Todėl juodosios skylės atvaizdas, kurio dar nesame matę,
galiausiai gali būti sukurtas sudedant mums įprastus vaizdus:
žmones, pastatus, medžius, kates ir šunis.
Vizualizavimo dėjų, tokių kaip ši, dėka galbūt galėsime
padaryti pačias pirmąsias juodosios skylės nuotraukas
ir, tikėkimės, patvirtinti tas garsiąsias teorijas,
kuriomis kasdien remiasi mokslininkai.
Žinoma, įgyvendinti šias atvaizdavimo idėjas
nebūtų įmanoma be nuostabios mokslininkų komandos,
su kuria aš turiu garbę dirbti.
Mane vis dar stebina,
kad, nors pradėjau šį projektą neturėdama astrofizikos darbo patirties,
tai, ką pasiekėme šio nepaprasto bendradarbiavimo dėka,
gali virsti pačiais pirmaisiais juodosios skylės vaizdais.
Bet dideli projektai, kaip „Įvykių horizonto teleskopas“
yra sėkmingi dėka visos tarpdisciplininės kompetencijos,
kurią suteikia skirtingi žmonės.
Mes – verdantis katilas astronomų,
fizikų, matematikų ir inžinierių.
Būtent dėl to greitai bus įmanoma
pasiekti tai, kas kažkada atrodė neįmanoma.
Norėčiau jus paskatinti veikti
ir padėti plėsti mokslo ribas,
net jei iš pradžių tai gali atrodyti taip pat paslaptinga, kaip juodoji skylė.
Ačiū.
(Plojimai.)