Hogy fényképezzünk le egy fekete lyukat?

A Tejút közepén van egy nagyon tömör fekete lyuk, amelyet forró pörgő gázkorong táplál, és amely mindent beszippant, ami túl közel vetődik hozzá. Még a fényt is. Nem láthatjuk, de az eseményhorizontja árnyékot vet, s így az árnyék képe segíthet megválaszolni a világegyetemre vonatkozó néhány kérdést. A kutatók korábban úgy vélték, hogy ilyen felvételek készítéséhez Föld-méretű távcsőre van szükség, mígnem Katie Bouman és csapata egy másik, okos megoldást ajánlott. Tudjunk meg többet arról, hogyan lehet láthatóvá tenni az abszolút sötétséget.

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)