Как да снимаме черна дупка / Кейти Бауман / TEDxBeaconStreet

За да направите снимка на черна дупка, ще ви трябва телескоп с размерите на планета. Това не е постижимо, но Кейти Бауман и екипът ѝ излизат с алтернативно решение, което включва комплексни алгоритми и глобално сътрудничество. Гледайте тази беседа, за да научите как можем да виждаме в най-тъмното.

Във филма "Интерстелар"

виждаме отблизо супермасивна черна дупка.

На фона на яркия газ,

силното гравитационно притегляне
на черната дупка

извива светлината в пръстен.

Това, обаче, не е истинска снимка,

а тълкуване на компютърна графика -

художествена интерпретация на това
как би изглеждала една черна дупка.

Преди сто години

Алберт Айнщайн за пръв път публикувал
теорията на относителността.

В следващите години

учените открили много доказателства,
които я подкрепят.

Но едно едно от нещата, предсказани
от теорията, черните дупки,

все още не били наблюдавани директно.

Въпреки че имаме представа как
може да изглежда една черна дупка,

всъщност никога досега
не сме снимали такава.

Може би ще се изненадате
като разберете,

че може да направим първата си снимка
на черна дупка през следващите две години.

Получаването на тази първа снимка ще
зависи от международен екип учени,

телескоп с размерите на Земята

и алгоритъм, който сглобява
финалната картина.

Макар че днес не мога да ви покажа
истинска снимка на черна дупка,

искам да ви дам бегла представа
за усилията, които са нужни,

за да направим тази първа снимка.

Казвам се Кейти Бауман

и съм докторант в MIT.

Правя проучване в лаборатория
по компютърни науки,

която има за цел да накара компютрите
да разбират образи и видео.

Макар че не съм астроном,

днес искам да ви покажа

как успях да допринеса за
този вълнуващ проект.

Ако излезете край ярките
светлини на града довечера,

може да имате късмет да видите
зашеметяващ изглед

към галактиката Млечен път.

И ако можехте да се приближите
през милиони звезди,

на 26 000 светлинни години от сърцето
на спираловидния Млечен път,

накрая щяхте да стигнете до
куп звезди точно в центъра.

Взирайки се отвъд галактическия прах
с инфрачервени телескопи,

астрономите наблюдават тези звезди
повече от 16 години.

Но най-грандиозно е това,
което те не виждат.

Тези звезди изглежда обикалят
около невидим обект.

Проследявайки пътищата им,

астрономите са заключили,

че единственото достатъчно малко и тежко
нещо, предизвикващо такова движение,

е супермасивна черна дупка -

обект толкова плътен, че засмуква
всичко, което посмее да се приближи,

дори светлината.

Какво ще се случи, ако трябва
да се доближим още повече?

Възможно ли е да видим нещо, което
по дефиниция е невъзможно да се види?

Оказа се, че ако се доближим
до дължината на радиовълните,

очакваме да видим светлинен кръг,

образуван от гравитационното
пречупване на горещата плазма,

свистяща около черната дупка.

С други думи,

черната дупка хвърля сянка
на фона на яркото вещество,

изрязвайки сфера от тъмнина.

Яркият пръстен показва хоризонта
на събитията на черната дупка,

където гравитационната сила
става толкова голяма,

че дори светлината не може
да се измъкне.

Уравненията на Айнщайн предвиждат
големината и формата на пръстена,

затова заснемането му няма
да бъде просто страхотно,

но и ще помогне да се уверим,
че уравненията са валидни

в екстремните условия
около черната дупка.

Тази черна дупка, обаче,
е толкова далече от нас,

че от Земята пръстенът изглежда
невероятно малък -

за нас е колкото портокал
на повърхността на Луната.

Това прави заснемането му
изключително трудно.

Защо е така?

Всичко се свежда до едно просто уравнение.

Заради един феномен, наречен дифракция,

има основни ограничения

за най-малките обекти,
които можем да видим.

Според водещото уравнение,
за да виждаме все по-малки неща,

трябва да правим телескопа си
все по-голям.

Но дори с най-мощните оптични
телескопи тук, на Земята,

не можем дори да доближим
резолюцията, необходима

за изображения на
повърхността на Луната.

Всъщност, тук показвам една от
снимките с най-висока резолюция

на Луната от Земята.

Състои се от около 13 000 пиксела

и пак всеки пиксел би побрал
над 1,5 милиона портокала.

Колко голям телескоп ни трябва,

за да видим портокал на
повърхността на Луната,

а също и нашата черна дупка?

Оказва се, че като обработим числата,

лесно можем да изчислим,
че ще ни трябва телескоп

с размерите на Земята.

(Смях)

Ако можехме да построим
телескоп колкото Земята

щяхме да започнем да съзираме
отличителния светлинен пръстен,

показващ хоризонта на
събитията на черната дупка.

Въпреки че картината нямаше
да съдържа всички детайли

от компютърната графика,

тя щеше да ни позволи да
получим първа представа

за непосредственото обкръжение
на една черна дупка.

Обаче, можете да си представите,

че построяването на телескоп с чиния
колкото Земята е невъзможно.

Според известните думи на Мик Джагър:

"Не винаги получаваме каквото искаме,

но ако опитваме, може да получим

това, от което се нуждаем."

Чрез свързване на телескопите по света,

международно сътрудничество, наречено
Телескоп на хоризонта на събитията,

създава изчислителен телескоп,
голям колкото Земята,

способен да анализира структури

от порядъка на хоризонт на
събитията на черна дупка.

Мрежата от телескопи по план
ще направи първата си снимка

на черна дупка следващата година.

Всеки телескоп в световната мрежа
работи заедно с другите.

Свързани с прецизната синхронизация
на атомни часовници,

екипи от изследователи навсякъде
"замразяват" светлина,

като събират хиляди терабайти
информация.

Тази информация после се обработва
в лаборатория точно тук - в Масачузетс.

Но как работи всичко това?

Помните ли, че за да видим черната
дупка в средата на галактиката ни,

трябва да построим невъзможно
голям телескоп колкото Земята?

Нека за секунда приемем,
че можем да построим

телескоп с размерите на Земята.

Това би било като да
превърнем Земята

в гигантска, въртяща се диско топка.

Всяко отделно огледало
ще улавя светлина,

която можем да обединим
с другите, за да получим картина.

Сега да кажем, че махаме
повечето от огледалата

и остават само няколко.

Все още можем да се опитаме
да обединим информацията,

но сега има много дупки.

Оставащите огледала представляват
локациите, където имаме телескопи.

Броят на измерванията е твърде
малък, за да се сглоби картина.

Но въпреки че улавяме светлина
само на няколко места с телескопи,

с въртенето на Земята успяваме да
направим и нови измервания.

С други думи, диско топката се върти,
огледалата променят локациите си

и ние успяваме да видим
различни части от образа.

Развиваме алгоритми за изобразяване,
които запълват дупките в диско топката,

за да възстановим основното
изображение на черната дупка.

Ако имахме телескопи навсякъде
по земното кълбо -

с други думи, цялата диско топка -

това щеше да е лесно.

Обаче ние виждаме само
няколко проби и затова

има безкрайно много
възможни изображения,

които перфектно пасват на измерванията
на телескопите ни.

Не всички образи, обаче,
са еднакви.

Някои от тях отговарят повече на
представата ни за изображение от други.

Моята помощ при първото заснемане
на черна дупка

е да създам алгоритми, които откриват
най-приемливия образ,

който отговаря и на измерванията
на телескопа.

Точно както съдебният художник
използва частични описания,

за да сглоби картина, използвайки
знанията си за структурата на лицето,

моите изобразяващи алгоритми използват
ограничените данни от телескопа,

за да ни доведат до картина, на която
има нещо от вселената ни.

С тези алгоритми успяваме
да сглобим картини

от разпръснатите неясни данни.

Тук показвам примернo възстановяване,
направено със симулирана информация,

когато все едно насочваме телескопите си

към черната дупка в средата
на галактиката ни.

Въпреки че е само симулация,
възстановка като тази ни обнадеждава,

че скоро ще можем със сигурност да
видим първия образ на черна дупка

и от него да определим
големината на пръстена ѝ.

Макар че с удоволствие бих продължила
с подробности за алгоритъма,

нямам време за ваш късмет.

Но бих искала да ви дам бегла представа

за това как определяме
как изглежда вселената и

как използваме това, за да преобразуваме
и проверяваме резултатите си.

Тъй като има безкраен брой
възможни образи,

които напълно обясняват
измерванията на телескопите,

трябва някак си да изберем измежду тях.

Правим това като класираме образите,

според това колко е вероятно
да показват черна дупка

и после избираме този с
най-голямата вероятност.

Какво точно имам предвид с това?

Да кажем, че се опитваме да
създадем модел,

показващ вероятността едно
изображение да се появи във Фейсбук.

Сигурно ще искаме моделът да покаже,

че е доста невероятно някой да публикува
размазаната снимка вляво

и доста вероятно някой
да публикува селфи

като това вдясно.

Образът по средата е замъглен

и макар че е по-вероятно
да го видим във Фейсбук

в сравнение с размазаната снимка,

може би вероятността в сравнение
със селфито е по-малка.

Но когато става дума за образи
на черна дупка,

се изправяме пред истинска гатанка -
никога не сме виждали черна дупка.

В такъв случай какъв е вероятният
образ на черна дупка

и какво трябва да предположим за
структурата на черните дупки?

Можем да използваме
образи от предишни симулации,

като изображението на черна дупка
от "Интерстелар",

но ако го направим, това може
да причини сериозни проблеми.

Какво ще стане, ако теориите
на Айнщайн се окажат неверни?

Ние пак ще искаме да пресъздадем
точно това, което се случва.

Ако разчитаме твърде много на уравненията
на Айнщайн за алгоритмите,

накрая ще видим това, което
очакваме да видим.

С други думи, искаме да оставим
отворена опцията

да има гигантски слон в
центъра на галактиката ни.

(Смях)

Различните видове изображения
имат много отличителни черти.

Лесно можем да различим
симулациите на черна дупка

от снимките, които правим
всеки ден тук, на Земята.

Трябва някак да кажем на алгоритмите
как изглеждат образите

без да налагаме прекалено
чертите на един тип образ.

Един от начините да разрешим това

е да налагаме чертите на
различни видове образи

и да видим как типът образ, който
допускаме повлиява на възстановките ни.

Ако всички типове образи произвеждат
много сходно изображение,

можем да започнем да
придобиваме увереност,

че допусканията за образа, които правим
не влияят толкова много на картината.

Това е нещо като да дадем
едно и също описание

на трима различни художници от целия свят.

Ако всички те създадат лица,
които много си приличат,

тогава започваме да се уверяваме,

че те не влагат собствените си културни
склонности в рисунките.

Един от начините да вложим
чертите на различни образи е

да използваме парчета от
съществуващи изображения.

Събираме много образи

и ги разглобяваме на малки парченца.

После разглеждаме всяко парченце образ
като частица от пъзел.

И използваме както обикновено парченцата
пъзел, за да сглобим образ,

който отговаря и на измерванията
на телескопите.

Различните видове образи имат много
различни комплекти парченца от пъзел.

Какво става, когато вземем
една и съща информация,

но използваме различни комплекти парченца
от пъзел, за да пресъздадем образа?

Да започнем с парченцата от пъзела
на симулацията на черна дупка.

Да, изглежда логично.

Изглежда така, както очакваме
да изглежда една черна дупка.

Но дали я получихме,

защото вложихме малки парченца
от образи-симулации на черна дупка?

Да опитаме с друг комплект парченца

от астрономически обекти,
а не черни дупки.

Добре, получихме сходна картина.

Ами защо не с парченца
от ежедневни снимки

като тези, които правите
с личния си фотоапарат?

Чудесно, виждаме същия образ.

Когато получаваме един и същ образ
от всички комплекти парченца,

започваме да се уверяваме,

че допусканията за образа, които правим,

не повлияват прекалено
на крайната картина.

Друго, което можем да направим,
е да вземем един комплект парченца

като тези, които получихме
от снимките от ежедневието

и да ги използваме за пресъздаване на
образи от много различни източници.

В симулациите си

предполагаме, че черната дупка изглежда
като астрономически обект, различен от нея,

а също и че ежедневните снимки наподобяват
слона в центъра на галактиката ни.

Когато резултатите от алгоритмите ни
най-отдолу много приличат на

симулирания истински образ най-отгоре,

тогава можем да започнем да ставаме
по-сигурни в алгоритмите си.

И искам тук да подчертая,

че всички тези картини са получени

чрез сглобяване на малки парченца
от снимки от ежедневието

като тези, които правите с
личния си фотоапарат.

И така, изображение на черна дупка,
каквато никога на сме виждали,

може да се създаде чрез свързването
на картини, които постоянно виждаме.

Идеи за изобразяване като тази
ще ни дадат възможност

да направим първите си снимки
на черна дупка

и да се надяваме, че ще докажем
известните теории,

на които учените ежедневно разчитат.

Но, разбира се, да пуснем в действие
идеи като тази

никога нямаше да е възможно без
изключителния екип изследователи,

с които имам привилегията да работя.

Още се удивлявам,

че въпреки че започнах този проект
без подготовка по астрофизика,

постигнатато чрез това
уникално сътрудничество

може да доведе до първите
изображения на черна дупка.

Но големи проекти, като
Телескопа на хоризонта на събитията,

са успешни благодарение на
знанията от различни дисциплини,

с които хората допринасят.

Ние сме амалгама от астрономи,

физици, математици и инженери.

Това скоро ще ни даде възможност

да постигнем нещо, смятано
някога за невъзможно.

Искам да поощря всички
вас да излезете и

да помогнете да разширим
границите на науката,

дори в началото всичко да изглежда
тайнствено като черна дупка.

Благодаря ви.

(Аплодисменти)