Ve filmu "Interstellar"
můžeme vidět detailní pohled na obří černou díru.
Na pozadí zářícího plynu
obrovská gravitační síla černé díry
ohýbá světlo do prstence.
Avšak, toto není skutečná fotografie,
ale počítačové vykreslení --
umělecké znázornění toho, jak by černá díra mohla vypadat.
Před sto lety
publikoval Albert Einstein svoji teorii obecné relativity.
Od té doby
vědci předložili mnoho důkazů, které tuto teorii podpořily.
Ale jedna věc předpovídaná touto teorií, černá díra,
stále nebyla přímo pozorována.
Ačkoliv máme nějakou představu, jak by černá díra mohla vypadat,
nikdy jsme žádnou nevyfotili.
Ale můžete být překvapeni, že se to brzy může změnit.
Možná uvidíme první obrázek černé díry v několika následujících letech.
Pořízení tohoto prvního obrázku závisí na mezinárodním týmu vědců,
teleskopu velikosti Země
a algoritmu, který dá dohromady výsledný obrázek.
Ačkoliv vám nebudu moci dnes ukázat skutečný obrázek černé díry,
ráda bych vám nastínila snahu, která je potřeba
pro pořízení tohoto obrázku.
Jmenuji se Katie Bouman
a jsem PhD studentkou na MIT.
Dělám výzkum v laboratoři počítačových věd,
která pracuje na tom, aby počítače viděly skrze obrázky a video.
Ačkoliv nejsem astronom,
ráda bych vám dnes ukázala,
jak jsem mohla přispět k tomuto vzrušujícímu projektu.
Pokud se dnes večer vytratíte mimo zářící světla města,
možná budete mít možnost vidět úžasný pohled
na galaxii Mléčná dráha.
A pokud byste se mohli přiblížit přes miliony hvězd,
26 000 světelných let k srdci kroužící Mléčné dráhy,
dostali byste se až ke skupině hvězd přímo uprostřed.
Pohledem skrz veškerý galaktický prach pomocí infračervených teleskopů
mohou astronomové tyto hvězdy pozorovat již více než 16 let.
Ale to, co nevidí, je to nejúžasnější.
Zdá se, že tyto hvězdy obíhají kolem neviditelného objektu.
Sledováním cest těchto hvězd
astronomové vyvodili,
že jedinou věcí, tak malou a dostatečně těžkou, aby mohla tento pohyb způsobit,
je obří černá díra --
objekt tak hutný, že pohltí cokoliv, co se přiblíží --
dokonce i světlo.
Ale co se stane, pokud bychom přiblížili ještě více?
Je možné vidět něco, co, podle definice, nemůže být spatřeno?
No, ukázalo se, že pokud bychom zaměřili na radiové vlny,
mohli bychom spatřit prstenec světla
zapříčiněný gravitačním zakřivením horké plasmy
prolétající kolem černé díry.
Jinými slovy,
černá díra vrhá stín na pozadí světlého materiálu,
čímž vykrajuje temný kruh.
Tento světlý prstenec odhaluje horizont událostí černé díry,
kde se gravitační tah stává tak velkým,
že ani světlo nemůže uniknout.
Einsteinovy rovnice předpověděly velikost a tvar tohoto prstence,
proto by pořízení fotky nebylo pouze hodně vzrušující,
ale také by nám to umožnilo ověřit, že tyto rovnice platí
v těchto extrémních podmínkách kolem černé díry.
Jenomže, tato černá díra je od nás tak daleko,
že ze Země se tento prstenec jeví neskutečně malým --
stejně veliký jako pomeranč na povrchu Měsíce.
To dělá pořízení snímku extrémně náročným.
Proč to tak je?
Inu, všechno se to dá shrnout jednoduchou rovnicí.
Vzhledem k fenoménu, kterému se říká difrakce,
existují zásadní limity
nejmenších objektů, které můžeme vidět.
Tato řídící rovnice říká, že abychom viděli menší a menší,
musíme náš teleskop udělat větší a větší.
Ale i s nejsilnějšími optickými teleskopy tady na Zemi
se nemůžeme dostat ani trochu k potřebnému rozlišení,
které by zobrazilo povrch Měsíce.
Tady vidíte jedno z největších rozlišení, které bylo kdy pořízeno
na povrch Měsíce ze Země.
Obsahuje zhruba 13 000 pixelů
ale i tak by každý pixel obsahoval více než 1,5 milionu pomerančů.
Čili, jak velký teleskop potřebujeme,
abychom mohli vidět pomeranč na povrchu Měsíce,
a tudíž naši černou díru?
No, ukázalo se, že přechroupáním čísel
můžete snadno spočítat, že bychom potřebovali teleskop
velikosti celé Země.
(Smích)
Pokud bychom mohli postavit tenhle teleskop velikosti Země,
mohli bychom začít rozlišovat ten zvláštní prstenec světla,
který ukazuje na horizont událostí černé díry.
Ačkoliv by tento obrázek neobsahoval všechny detaily, které vidíme
v počítačových vykresleních,
umožnilo by nám to získat první náznak
prostředí v těsné blízkosti kolem černé díry.
Ale jak asi tušíte,
postavení jednotalířového teleskopu velikosti Země je nemožné.
Ale známými slovy Micka Jaggera,
"Nemůžeš vždy získat to, co chceš,
ale pokud se někdy pokusíš, můžeš prostě zjistit,
že máš to, co potřebuješ."
A spojením teleskopů z celého světa,
mezinárodní spolupráce nazvaná Teleskop Horizontu Událostí,
vytváří výpočetní teleskop velikosti Země,
schopný rozlišení struktury
velikosti horizontu událostí černé díry.
Tato síť teleskopů plánuje pořídit vůbec první obrázek černé díry
již příští rok.
Každý teleskop v celosvětové síti pracuje společně.
Propojeni skrze přesné načasování atomových hodin,
tým vědců na každém z míst zmrazí světlo
pomocí sesbírání tisíců terabytů dat.
Tato data jsou poté zpracována v laboratoři přímo tady v Massachusetts.
Jak tohle vůbec funguje?
Vzpomínáte si, že pokud chceme vidět černou díru uprostřed naší galaxie,
potřebujeme postavit tento neskutečně velký teleskop velikosti Země?
Pojďme na vteřinu předstírat, že můžeme postavit
teleskop velikosti Země.
To by bylo trochu jako přeměnit Zemi
v obrovskou točící se disco kouli.
Každé jednotlivé zrcadlo by shromáždilo světlo,
které bychom pak mohli spojit a udělat z něj obrázek.
Ale, dejme tomu, že teď odstraníme většinu těch zrcadel,
aby jich zbylo pouze několik.
Stále bychom mohli zkusit spojit tyto informace dohromady,
ale teď by tam bylo mnoho děr.
Tato zbývající zrcadla představují místa, kde máme teleskopy.
To je neskutečně malý počet měření, abychom z nich vytvořili obrázek.
Ale ačkoliv sbíráme světlo jen na několika místech,
jak se Země otáčí, dostáváme další nová měření.
Jinými slovy, jako se disco koule otáčí, tato zrcadla mění umístění
a my můžeme pozorovat různé části obrázku.
Obrazové algoritmy, které jsme vytvořili, doplní chybějící místa disco koule,
čímž zrekonstruujeme obrázek černé díry.
Pokud bychom měli teleskopy umístěné všude na planetě --
jinými slovy, na celé disco kouli --
toto by bylo triviální.
Ale my vidíme pouze pár snímků, a z toho důvodu
je nekonečné množství možných obrázků,
které jsou perfektně shodné s měřeními našich teleskopů.
Jenže, není obrázek jako obrázek.
Několik těchto obrázků vypadá reálněji, než jiné.
Tedy má role ve snaze pořídit první snímek černé díry
je navrhnout algoritmus, který najde ten nejrozumnější obrázek,
který také sedí na měření teleskopu.
Tak, jako forenzní expert používá pouze omezený popis,
aby vytvořil obrázek s pomocí znalosti struktury obličeje,
obrazové algoritmy, které vytvářím, používají pouze omezená data z teleskopů,
aby nás dovedly k obrázku, který vypadá jako věci v našem vesmíru.
Použitím těchto algoritmů jsme schopni složit dohromady obrázky
z těchto řídkých, špinavých dat.
Tady ukazuji příklad rekonstrukce pomocí simulovaných dat,
kdy předstíráme, že naše teleskopy
zaměříme na černou díru uprostřed naší galaxie.
Ačkoliv je toto pouze simulace, takováto rekonstrukce nám dává naději,
že budeme brzy schopni spolehlivě pořídit první obrázek černé díry
a z něj odvodit velikost jejího prstence.
Přesto, že bych strašně ráda pokračovala v detailech tohoto algoritmu,
naštěstí pro vás, nemám čas.
Ale i tak bych vám ráda předala krátkou myšlenku,
o tom, jak definujeme, jak náš vesmír vypadá,
a jak to můžeme použít k rekonstrukci a ověření našich výsledků.
Vzhledem k tomu, že je nekonečné množství možných obrázků,
které perfektně odpovídají měřením našich teleskopů,
musíme z nich nějakým způsobem vybrat.
Děláme to pomocí hodnocení obrázků
na základě toho, jak moc se jedná o obrázek černé díry,
a pak vybíráme ten, který je nejpravděpodobnější.
Takže, co to přesně znamená?
Řekněme, že se snažíme vytvořit model,
který nám řekne, jaká je šance, že se obrázek objeví na Facebooku.
Asi bychom chtěli, aby nám model řekl,
že je dost nepravděpodobné, že někdo publikuje tenhle obrázek šumu nalevo,
a dost pravděpodobné, že někdo publikuje selfie,
jako je tato napravo.
Obrázek uprostřed je rozmazaný,
takže ačkoliv bychom na Facebooku viděli spíše tento,
než obrázek šumu,
je méně pravděpodobné, že bychom ho viděli v porovnání se selfie.
Ale když přijde na obrázky z černé díry,
jsme postaveni před opravdový hlavolam: nikdy předtím jsme černou díru neviděli.
V tom případě, jak asi vypadá obrázek černé díry
a co bychom měli předpokládat o struktuře černých děr?
Mohli bychom se pokusit použít obrázky ze simulací, které jsme udělali,
jako obrázek černé díry z filmu "Interstellar",
ale pokud bychom to udělali, mohlo by to způsobit několik vážných problémů.
Co by se stalo, kdyby Einsteinovy teorie neobstály?
Stále bychom chtěli rekonstruovat přesný obrázek toho, co se děje.
Pokud bychom zapekli Einsteinovy rovnice příliš do našich algoritmů,
viděli bychom jen to, co chceme vidět.
Jinými slovy, chceme ponechat možnost,
že se uprostřed naší galaxie nachází obrovský slon.
(Smích)
Různé typy obrázků mají velmi odlišné vlastnosti.
Můžeme velmi snadno poznat rozdíl mezi obrázky simulace černé díry
a obrázky, které pořizujeme zde na Zemi každý den.
Potřebujeme nějak říci našim algoritmům, jak obrázky vypadají,
aniž bychom příliš vnucovali vlastnosti jednoho typu obrázků.
Jedna z cest, jak se tomu vyhnout,
je aplikovat vlastnosti různých druhů obrázků
a pozorovat, jak námi zvolený typ obrázku ovlivňuje naše rekonstrukce.
Pokud všechny typy obrázků vytvoří velmi podobně vypadající obrázek,
pak si můžeme být více jisti,
že naše předpoklady příliš neovlivňují tento obrázek.
Je to podobné, jako kdybyste dali stejný popis
třem různým kreslířům portrétů z celého světa.
Pokud vytvoří velmi podobně vypadající obličej,
pak se můžeme spoléhat,
že se nesnaží vložit do kreseb svoje vlastní kulturní odlišnosti.
Jednou z cest, jak se pokusit aplikovat různé vlastnosti obrázků,
je použití částí existujících obrázků.
Proto jsme vytvořili velkou sbírku obrázků
a rozdělili jsme je na malé dílky.
Pak si můžeme s dílky hrát jako s kousky puzzle.
Ty dílky, které se vyskytují často, pak použijeme k vytvoření obrázku,
který odpovídá měření našich teleskopů.
Odlišné typy obrázků mají velmi odlišné skupiny dílků.
Takže co se stane, když vezmeme stejná data,
ale použijeme různé skupiny dílků k rekonstrukci obrázku?
Začněme nejdříve s dílky z obrázku simulace černé díry.
OK, to vypadá rozumně.
Vypadá to tak, jak bychom očekávali, že bude černá díra vypadat.
Ale nezískali jsme to proto,
že jsme algoritmus nakrmili právě obrázky simulace černé díry?
Pojďme zkusit další sadu dílků
z astronomických objektů, které nejsou černými děrami.
OK, dostali jsme podobně vypadající obrázek.
A pak, co ty dílky z každodenních obrázků,
jako obrázky, které vyfotíte svým osobním foťákem?
Skvělé, vidíme ten samý obrázek.
Když dostaneme ten samý obrázek z různých skupin dílků,
pak můžeme začít více věřit,
že předpoklady, ze kterých vycházíme,
neovlivňují výsledný obrázek.
Další věcí, kterou můžeme udělat, je vzít stejnou skupinu dílků,
jako jsou ty odvozené od každodenních obrázků,
a použít je k rekonstrukci mnoha různých druhů zdrojových obrázků.
Pak v našich simulacích
předstíráme, že černá díra vypadá jako jiné astronomické objekty,
stejně jako každodenní obrázky, jako třeba slon uprostřed naší galaxie.
Když výsledky našich algoritmů ve spodní části vypadají velmi podobně
jako skutečná simulace v horní části,
pak můžeme více důvěřovat našim algoritmům.
A ráda bych tady chtěla zdůraznit,
že všechny tyto obrázky byly vytvořeny
spojením malých kousků každodenních fotografií,
které byste mohli pořídit vlastním foťákem.
Proto obrázek černé díry, kterou jsme nikdy neviděli,
může být nakonec vytvořen spojením obrázků, které vídáme pořád,
jako například lidí, budov, stromů, koček a psů.
Nápady zobrazování, jako jsou tyto, nám umožní
pořídit vůbec první obrázky černé díry
a, doufejme, ověřit ty slavné teorie,
na které vědci spoléhají na denní bázi.
Ale, samozřejmě, uvedení takových nápadů do praxe
by nikdy nebylo možné bez úžasného týmu vědců,
se kterými mám možnost spolupracovat.
Stále mě fascinuje,
že, ačkoliv jsem začala tento projekt bez základů v astrofyzice,
to, co jsme dokázali skrze tuto unikátní spolupráci,
může vyústit ve vůbec první obrázky černé díry.
Ale velké projekty, jako je Teleskop Horizontu Událostí,
jsou úspěšné díky veškerým mezioborovým zkušenostem,
kterými jednotliví lidé přispívají.
Jsme jeden velký kotel astronomů,
fyziků, matematiků a inženýrů.
To je to, co brzo umožní
dosáhnout něco, co dříve nebylo ani myslitelné.
Ráda bych vás všechny povzbudila, abyste vyšli ven
a pomohli posunout hranice vědy,
ačkoliv se na první pohled můžou zdát stejně tajemné, jako je černá díra.
Děkuji.
(Potlesk)