Return to Video

Как сфотографировать чёрную дыру

  • 0:01 - 0:03
    В фильме «Интерстеллар»
  • 0:03 - 0:07
    нам близко показали
    сверхмассивную чёрную дыру.
  • 0:07 - 0:09
    На фоне яркой вспышки газа
  • 0:09 - 0:11
    сильнейшее гравитационное
    притяжение чёрной дыры
  • 0:11 - 0:12
    изгибает свет в кольцо.
  • 0:12 - 0:15
    Однако это не настоящая фотография,
  • 0:15 - 0:16
    а всего лишь компьютерная графика,
  • 0:16 - 0:20
    художественная интерпретация того,
    как чёрная дыра могла бы выглядеть.
  • 0:20 - 0:22
    Сто лет назад
  • 0:22 - 0:25
    Альберт Эйнштейн впервые опубликовал
    общую теорию относительности.
  • 0:25 - 0:27
    Спустя годы
  • 0:27 - 0:30
    учёные предоставили много
    доказательств в поддержку теории.
  • 0:30 - 0:33
    Но такое явление, как чёрные дыры,
    предсказанное этой теорией,
  • 0:33 - 0:35
    до сих пор непосредственно не наблюдалось.
  • 0:35 - 0:39
    Хотя мы и имеем некоторое представление,
    как чёрная дыра может выглядеть,
  • 0:39 - 0:41
    нам ещё ни разу не удалось
    её сфотографировать.
  • 0:41 - 0:45
    Вы, наверное, удивитесь, узнав,
    что это скоро может измениться.
  • 0:45 - 0:50
    В ближайшие пару лет мы сможем
    увидеть первый снимок чёрной дыры.
  • 0:50 - 0:54
    Для этого понадобится
    международная команда учёных,
  • 0:54 - 0:55
    телескоп размером с нашу планету
  • 0:55 - 0:58
    и алгоритм, который сведёт данные
    в итоговое изображение.
  • 0:58 - 1:02
    Сегодня я не смогу вам показать
    настоящую фотографию чёрной дыры,
  • 1:02 - 1:05
    но я бы хотела кратко изложить,
    в чём заключаются наши усилия,
  • 1:05 - 1:06
    чтобы получить первую фотографию.
  • 1:07 - 1:09
    Меня зовут Кэти Бауман,
  • 1:09 - 1:12
    я аспирант в Массачусетском
    технологическом институте.
  • 1:12 - 1:14
    Я провожу исследования
    в лаборатории компьютерных наук,
  • 1:14 - 1:17
    цель которой — научить компьютеры
    распознавать фото и видео.
  • 1:17 - 1:20
    Хотя я и не астроном,
    сегодня я хотела бы вам показать,
  • 1:20 - 1:23
    в чём заключается мой личный вклад
    в этот уникальный проект.
  • 1:23 - 1:26
    Если вы выйдете сегодня вечером
    за пределы города и его огней,
  • 1:26 - 1:29
    вам, возможно, посчастливится
    созерцать захватывающий вид
  • 1:29 - 1:30
    Галактики Млечного пути.
  • 1:30 - 1:33
    Если бы вы могли приблизиться
    через миллионы звёзд
  • 1:33 - 1:36
    на 26 тысяч световых лет
    к самому сердцу Млечного пути,
  • 1:36 - 1:40
    вы бы попали в скопление звёзд
    прямо в его центре.
  • 1:40 - 1:43
    Всматриваясь в галактическую пыль
    с помощью инфракрасных телескопов,
  • 1:43 - 1:47
    астрономы уже более 16 лет
    наблюдают за этими звёздами.
  • 1:47 - 1:51
    Но они не видят самого впечатляющего.
  • 1:51 - 1:54
    Кажется, что эти звёзды вращаются
    вокруг невидимого объекта.
  • 1:54 - 1:56
    Наблюдая за движением этих звёзд,
  • 1:56 - 1:57
    астрономы пришли к выводу,
  • 1:57 - 2:01
    что единственный небольшой, но тяжёлый
    объект, способный вызвать это движение, —
  • 2:01 - 2:03
    это сверхмассивная чёрная дыра,
  • 2:03 - 2:07
    объект настолько плотный,
    что он всасывает всё поблизости,
  • 2:07 - 2:08
    даже свет.
  • 2:08 - 2:11
    А что, если мы приблизимся ещё больше?
  • 2:11 - 2:16
    Возможно ли увидеть то,
    что, по определению, невозможно увидеть?
  • 2:17 - 2:20
    Оказывается, что, рассматривая дыру
    в радиоволновом диапазоне,
  • 2:20 - 2:22
    мы можем увидеть кольцо света
  • 2:22 - 2:24
    из-за гравитационного
    линзирования горячей плазмы,
  • 2:24 - 2:26
    снующей вокруг чёрной дыры.
  • 2:26 - 2:27
    Другими словами,
  • 2:27 - 2:30
    чёрная дыра отбрасывает тень
    на фон из светлого материала,
  • 2:30 - 2:32
    создавая тем самым сферу из темноты.
  • 2:32 - 2:36
    Это яркое кольцо очерчивает
    горизонт событий чёрной дыры,
  • 2:36 - 2:38
    где притяжение становится
    настолько сильным,
  • 2:38 - 2:40
    что даже свет не может вырваться.
  • 2:40 - 2:43
    Эйнштейн своими расчётами предсказал
    возможный размер и форму кольца.
  • 2:43 - 2:46
    Поэтому сфотографировать его
    было бы не только очень круто,
  • 2:46 - 2:48
    это помогло бы проверить
    верность расчётов
  • 2:48 - 2:51
    в экстремальных условиях
    вокруг чёрной дыры.
  • 2:51 - 2:53
    Однако эта чёрная дыра
    настолько далека от нас,
  • 2:53 - 2:57
    что с Земли это кольцо выглядит крошечным,
  • 2:57 - 3:00
    как если бы мы хотели рассмотреть
    апельсин на поверхности Луны.
  • 3:01 - 3:04
    Это чрезвычайно затрудняет
    возможность съёмки кольца.
  • 3:05 - 3:06
    Почему так?
  • 3:07 - 3:10
    Всё сводится к простому уравнению.
  • 3:10 - 3:12
    Из-за такого явления, как дифракция,
  • 3:12 - 3:14
    существуют фундаментальные пределы
  • 3:14 - 3:17
    величины маленьких объектов,
    которые возможно увидеть.
  • 3:17 - 3:20
    Согласно этому определяющему уравнению,
    чем меньше рассматриваемый объект,
  • 3:20 - 3:23
    тем больше должен быть телескоп.
  • 3:23 - 3:26
    Но даже с помощью самых мощных
    оптических телескопов на Земле
  • 3:26 - 3:29
    мы и близко не можем добиться
    разрешения, необходимого
  • 3:29 - 3:31
    для снимка поверхности Луны.
  • 3:31 - 3:36
    Вот полученное с Земли изображение Луны
    в самом высоком на сегодня разрешении.
  • 3:36 - 3:38
    Это приблизительно 13 000 пикселей,
  • 3:38 - 3:43
    однако в каждом из пикселей поместится
    более 1,5 миллиона апельсинов.
  • 3:43 - 3:45
    Так насколько большим
    должен быть телескоп,
  • 3:45 - 3:48
    чтобы увидеть апельсин на поверхности Луны
  • 3:48 - 3:50
    и, следовательно, нашу чёрную дыру?
  • 3:50 - 3:53
    Оказывается, если провести расчёты,
  • 3:53 - 3:56
    мы с лёгкостью сможем вычислить,
    что нам нужен телескоп размером с Землю.
  • 3:56 - 3:57
    (Смех)
  • 3:57 - 3:59
    Если бы мы смогли создать такой телескоп,
  • 3:59 - 4:02
    мы бы всего лишь начали
    различать кольцо света,
  • 4:02 - 4:05
    обозначающее горизонт
    событий чёрной дыры.
  • 4:05 - 4:08
    На этом изображении
    не будут видны все детали,
  • 4:08 - 4:10
    как на компьютерных моделях,
  • 4:10 - 4:12
    но оно позволит нам составить
    первое представление о том,
  • 4:12 - 4:15
    что находится в непосредственной
    близости от чёрной дыры.
  • 4:15 - 4:16
    Как вы понимаете,
  • 4:16 - 4:20
    невозможно создать телескоп
    с одной тарелкой размером с Землю.
  • 4:20 - 4:22
    Но как пел Мик Джаггер:
  • 4:22 - 4:24
    «Ты не можешь всегда
    получать то, что хочешь,
  • 4:24 - 4:25
    но если постараешься, ты поймёшь,
  • 4:25 - 4:27
    что получаешь всё, что тебе нужно».
  • 4:27 - 4:30
    Соединяя телескопы по всему миру,
  • 4:30 - 4:33
    международный проект под названием
    Event Horizon Telescope
  • 4:33 - 4:36
    создаёт вычислительный
    телескоп размером с Землю,
  • 4:36 - 4:38
    способный сфотографировать структуру
  • 4:38 - 4:40
    в масштабах горизонта событий чёрной дыры.
  • 4:40 - 4:43
    Планируется, что уже в следующем
    году эта сеть телескопов
  • 4:43 - 4:45
    сможет сделать первое фото чёрной дыры.
  • 4:45 - 4:49
    Все телескопы в этой всемирной
    сети работают сообща.
  • 4:49 - 4:51
    Координируя свою работу
    по точным атомным часам,
  • 4:51 - 4:54
    команды учёных на каждом
    телескопе «замораживают» свет,
  • 4:54 - 4:57
    собирая тысячи терабайт данных.
  • 4:57 - 5:02
    Эти данные затем обрабатываются
    в лаборатории прямо здесь, в Массачусетсе.
  • 5:02 - 5:04
    Как же это делается?
  • 5:04 - 5:07
    Помните, что если мы хотим увидеть
    чёрную дыру в центре нашей Галактики,
  • 5:07 - 5:10
    нам нужно создать невероятно большой
    телескоп размером с Землю?
  • 5:10 - 5:13
    Давайте на секунду просто представим,
    что нам удалось построить
  • 5:13 - 5:14
    телескоп размером с Землю.
  • 5:14 - 5:17
    Это будет выглядеть, как если бы мы
    превратили Землю
  • 5:17 - 5:19
    в гигантский вращающийся диско-шар.
  • 5:19 - 5:21
    Каждое отдельное зеркало
    будет собирать свет,
  • 5:21 - 5:23
    из которого мы затем сложим изображение.
  • 5:23 - 5:26
    Но давайте представим,
    что мы удалили большинство зеркал,
  • 5:26 - 5:28
    так что только некоторые остались.
  • 5:28 - 5:31
    Мы все ещё можем попробовать
    свести эту информацию воедино,
  • 5:31 - 5:33
    но теперь у нас много пробелов.
  • 5:33 - 5:37
    Оставшиеся зеркала показывают
    места расположения наших телескопов.
  • 5:37 - 5:42
    Это невероятно малое количество данных
    для создания целостной картины.
  • 5:42 - 5:45
    Хотя мы собираем свет только
    с нескольких телескопов,
  • 5:45 - 5:49
    по мере вращения Земли
    мы можем получать новые данные.
  • 5:49 - 5:53
    То есть, когда диско-шар вращается,
    зеркала меняют своё положение,
  • 5:53 - 5:56
    и мы можем рассматривать
    разные части изображения.
  • 5:56 - 6:00
    Разработанные нами алгоритмы
    заполняют пробелы в диско-шаре,
  • 6:00 - 6:03
    чтобы восстановить исходное
    изображение чёрной дыры.
  • 6:03 - 6:05
    Если бы у нас были телескопы
    по всему земному шару,
  • 6:05 - 6:07
    другими словами, целый диско-шар,
  • 6:07 - 6:09
    это было бы просто.
  • 6:09 - 6:12
    Однако, у нас не много образцов,
    и по этой причине
  • 6:12 - 6:15
    существует бесконечное множество
    возможных изображений,
  • 6:15 - 6:17
    прекрасно сочетающихся
    с показаниями наших телескопов.
  • 6:17 - 6:20
    Но не все изображения одинаковы.
  • 6:21 - 6:25
    Некоторые более похожи на то,
    что мы ожидаем увидеть, чем другие.
  • 6:25 - 6:29
    Я помогаю в создании
    первого фото чёрной дыры тем,
  • 6:29 - 6:32
    что создаю алгоритмы, находящие
    самые приемлемые изображения,
  • 6:32 - 6:35
    которые совпадают с показаниями телескопа.
  • 6:35 - 6:39
    Как художник-криминалист
    использует ограниченное описание,
  • 6:39 - 6:42
    чтобы собрать целую картинку,
    прибегая к своим знаниям о строении лица,
  • 6:42 - 6:46
    так и созданные мной алгоритмы
    используют неполные данные телескопов,
  • 6:46 - 6:50
    чтобы привести нас к изображению чего-то,
    похожего на часть нашей Вселенной.
  • 6:50 - 6:54
    Используя эти алгоритмы,
    мы смогли собрать воедино фотографии
  • 6:54 - 6:56
    из этих скудных зашумлённых данных.
  • 6:56 - 7:00
    Вот образец реконструкции, сделанный
    с использованием смоделированных данных,
  • 7:00 - 7:02
    где наши телескопы как будто направлены
  • 7:02 - 7:05
    на чёрную дыру в центре нашей Галактики.
  • 7:05 - 7:09
    Хотя это всего лишь симуляция,
    подобная реконструкция даёт надежду,
  • 7:09 - 7:13
    что вскоре мы сможем сделать
    первое фото чёрной дыры
  • 7:13 - 7:15
    и по нему определить размер её кольца.
  • 7:16 - 7:19
    Я хотела бы остановиться поподробнее
    на деталях этого алгоритма,
  • 7:19 - 7:22
    но к счастью для вас,
    я ограничена во времени.
  • 7:22 - 7:24
    Но я всё равно хочу вкратце описать вам,
  • 7:24 - 7:26
    как мы определяем,
    на что похожа наша Вселенная
  • 7:26 - 7:30
    и как используем это для реконструкции
    и проверки наших результатов.
  • 7:30 - 7:33
    Так как существует бесконечное число
    возможных изображений,
  • 7:33 - 7:35
    отлично объясняющих
    показания наших телескопов,
  • 7:35 - 7:38
    мы должны выбрать
    из них наиболее подходящие.
  • 7:38 - 7:40
    Мы делаем это, упорядочивая изображения
  • 7:40 - 7:43
    на основе предположений о том,
    как выглядит чёрная дыра,
  • 7:43 - 7:45
    и затем выбирая наиболее подходящие.
  • 7:45 - 7:47
    Что я под этим подразумеваю?
  • 7:48 - 7:50
    Скажем, мы пытаемся создать модель,
  • 7:50 - 7:53
    определяющую вероятность того,
    что некий снимок появится в Facebook.
  • 7:53 - 7:55
    Мы хотели бы, чтобы модель сказала:
  • 7:55 - 7:58
    «Вот это зашумлённое изображение слева
    вряд ли кто-либо запостит,
  • 7:58 - 8:01
    зато наверняка кто-нибудь запостит селфи,
  • 8:01 - 8:02
    такое, как вот это справа.
  • 8:02 - 8:04
    Снимок посередине размыт,
  • 8:04 - 8:06
    и хотя он выглядит предпочтительнее
  • 8:07 - 8:08
    зашумлённого изображения,
  • 8:08 - 8:11
    мы скорее всего увидим в Facebook селфи».
  • 8:11 - 8:13
    Но когда дело касается
    изображений чёрной дыры,
  • 8:13 - 8:17
    мы сталкиваемся с реальной проблемой:
    мы никогда раньше не видели чёрную дыру.
  • 8:17 - 8:19
    На что она может быть похожа,
  • 8:19 - 8:22
    и какие предположения
    мы можем делать о её строении?
  • 8:22 - 8:25
    Мы могли бы использовать
    симулированные нами изображения,
  • 8:25 - 8:27
    такие как, например, чёрная дыра
    в фильме «Интерстеллар»,
  • 8:27 - 8:30
    но это могло бы привести
    к серьёзным проблемам.
  • 8:30 - 8:34
    Что, если теория Эйнштейна
    не подтвердится?
  • 8:34 - 8:38
    Мы всё ещё хотим воссоздать
    верное изображение происходящего.
  • 8:38 - 8:41
    Слишком активно используя
    уравнения Эйнштейна в наших алгоритмах,
  • 8:41 - 8:44
    в результате мы просто увидим то,
    что ожидали увидеть.
  • 8:44 - 8:46
    Другими словами, мы хотим
    сохранить вариант
  • 8:46 - 8:49
    существования огромного слона
    в центре нашей Галактики.
  • 8:49 - 8:50
    (Смех)
  • 8:50 - 8:53
    Различные типы изображений
    имеют свои характерные особенности.
  • 8:53 - 8:57
    Мы можем легко отличить изображения
    симулированной чёрной дыры
  • 8:57 - 8:59
    от снимков, которые мы
    ежедневно делаем с Земли.
  • 8:59 - 9:02
    Нужно найти способ объяснить алгоритму,
    как изображение выглядит
  • 9:02 - 9:06
    без введения в него слишком большого
    количества черт однотипных объектов.
  • 9:06 - 9:08
    Один из способов избежать этого —
  • 9:08 - 9:11
    применять черты различных изображений
  • 9:11 - 9:15
    и наблюдать, как конкретное изображение
    влияет на получившиеся результаты.
  • 9:16 - 9:19
    Если все типы изображений
    воспроизведут в итоге одно похожее,
  • 9:19 - 9:21
    тогда мы почувствуем уверенность,
  • 9:21 - 9:25
    что делаемые нами предположения
    не сильно отличаются от реальности.
  • 9:26 - 9:28
    Это как если дать одно и то же описание
  • 9:29 - 9:32
    трём разным художникам
    из разных частей света.
  • 9:32 - 9:34
    Если они все нарисуют очень похожее лицо,
  • 9:34 - 9:36
    то мы будем уверены,
  • 9:36 - 9:40
    что на их портреты не повлияли
    особенности их культуры.
  • 9:40 - 9:43
    Один из способов ввести в алгоритм
    разные черты изображения —
  • 9:43 - 9:46
    использовать части уже
    имеющихся изображений.
  • 9:46 - 9:48
    Поэтому мы берём большую
    коллекцию изображений
  • 9:48 - 9:51
    и разделяем их на множество
    маленьких частей.
  • 9:51 - 9:55
    И тогда мы можем рассматривать каждый
    кусочек изображения как часть пазла.
  • 9:55 - 10:00
    Из типовых частей пазла
    мы собираем целое изображение,
  • 10:00 - 10:02
    которое соответствует
    показаниям телескопа.
  • 10:03 - 10:07
    Каждый тип изображений имеет
    определённый набор кусочков пазла.
  • 10:07 - 10:10
    Так что же получится,
    если взять одинаковые данные,
  • 10:10 - 10:14
    но использовать разные наборы пазлов
    для воспроизведения изображения?
  • 10:14 - 10:19
    Начнём с набора с кусочками пазла
    для получения изображения чёрной дыры.
  • 10:19 - 10:20
    Выглядит вполне приемлемо.
  • 10:20 - 10:23
    Это похоже на то,
    что мы ожидаем увидеть.
  • 10:23 - 10:24
    Но получили ли мы его,
  • 10:24 - 10:28
    потому что составили из кусочков
    для моделирования изображения чёрной дыры?
  • 10:28 - 10:29
    Давайте возьмём другой набор
  • 10:29 - 10:33
    с астрономическими объектами,
    не являющимися чёрными дырами.
  • 10:33 - 10:35
    Хорошо, мы получили похожее изображение.
  • 10:35 - 10:38
    А как насчёт кусочков
    повседневных изображений,
  • 10:38 - 10:40
    которые можно снять на обычную камеру?
  • 10:41 - 10:43
    Отлично, мы видим одно
    и то же изображение.
  • 10:43 - 10:47
    Когда одинаковое изображение
    получается из разных наборов кусочков,
  • 10:47 - 10:49
    тогда у нас появляется уверенность,
  • 10:49 - 10:51
    что наши предположения
  • 10:51 - 10:54
    не сильно влияют на конечный результат.
  • 10:54 - 10:57
    Другой вариант: мы можем взять
    тот же самый набор из кусочков пазла,
  • 10:57 - 11:00
    как, например, производные
    из повседневных снимков,
  • 11:00 - 11:03
    и использовать их для воспроизведения
    разных видов исходных изображений.
  • 11:03 - 11:05
    В наших моделях мы предполагаем,
  • 11:05 - 11:08
    что чёрная дыра похожа
    на другие астрономические объекты
  • 11:08 - 11:12
    и такие обыденные образы,
    как слон в центре нашей Галактики.
  • 11:12 - 11:15
    Когда результаты работы наших
    алгоритмов будут совпадать
  • 11:15 - 11:18
    со смоделированными изображениями вверху,
  • 11:18 - 11:21
    мы будем уверены,
    что наши алгоритмы верны.
  • 11:21 - 11:23
    И я хочу подчеркнуть здесь,
  • 11:23 - 11:25
    что все эти изображения были созданы
  • 11:25 - 11:28
    путём склеивания маленьких кусочков
    повседневных фотографий,
  • 11:28 - 11:30
    которые можно снять на обычную камеру.
  • 11:30 - 11:33
    Изображение чёрной дыры,
    которое раньше никто не видел,
  • 11:33 - 11:37
    можно получить с помощью
    объединения уже имеющихся снимков,
  • 11:37 - 11:40
    на которых изображены люди, дома,
    деревья, кошки и собаки.
  • 11:40 - 11:43
    Подобные идеи визуализации
    могут позволить нам
  • 11:43 - 11:45
    создать первую фотографию чёрной дыры,
  • 11:45 - 11:48
    а также, надеюсь, проверить
    известные теории,
  • 11:48 - 11:50
    на которые опираются учёные
    в своей ежедневной работе.
  • 11:50 - 11:53
    Конечно, заставить такую идею работать
  • 11:53 - 11:56
    было бы невозможно
    без удивительной команды учёных,
  • 11:56 - 11:58
    с которыми я имею честь сотрудничать.
  • 11:58 - 11:59
    Меня поражает тот факт,
  • 11:59 - 12:03
    что несмотря на отсутствие у меня
    опыта в астрофизике,
  • 12:03 - 12:05
    совместной работой
    мы добились результата,
  • 12:05 - 12:08
    который может дать нам
    первый снимок чёрной дыры.
  • 12:08 - 12:11
    Такие крупные проекты,
    как Event Horizon Telescope,
  • 12:11 - 12:14
    успешны благодаря сотрудничеству
    множества учёных,
  • 12:14 - 12:16
    являющихся экспертами
    в различных областях знаний.
  • 12:16 - 12:18
    Все мы: астрономы, физики,
    математики и инженеры —
  • 12:18 - 12:20
    плавимся в одном котле науки.
  • 12:20 - 12:22
    Так мы вскоре сделаем возможным то,
  • 12:22 - 12:25
    что когда-то казалось невозможным.
  • 12:25 - 12:27
    Я бы хотела призвать всех вас
  • 12:27 - 12:29
    помогать в расширении границ науки,
  • 12:29 - 12:33
    даже если на первый взгляд она кажется
    такой же непостижимой, как чёрная дыра.
  • 12:33 - 12:34
    Спасибо.
  • 12:34 - 12:37
    (Аплодисменты)
Title:
Как сфотографировать чёрную дыру
Speaker:
Кэти Бауман
Description:

В центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра, которую питает вращающийся диск горячего газа. Она затягивает в себя всё, что оказывается рядом с ней, даже свет. Мы не можем её видеть, но её горизонт событий отбрасывает тень, фотография которой помогла бы нам найти ответы на многие важные вопросы о Вселенной. Учёные склонны думать, что для создания такой фотографии потребуется телескоп размером с Землю. Но Кэти Бауман и команда астрономов придумала хитроумную альтернативу. Узнайте, как можно видеть в кромешной темноте.

more » « less
Video Language:
English
Team:
TED
Project:
TEDTalks
Duration:
12:51
Yulia Kallistratova approved Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Yulia Kallistratova edited Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Yulia Kallistratova edited Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Yulia Kallistratova edited Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Полина Гурина accepted Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Полина Гурина edited Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Полина Гурина edited Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Полина Гурина edited Russian subtitles for How to take a picture of a black hole
Show all

Russian subtitles

Revisions