Vo filme Interstellar sme videli pohľad zblízka
na supermasívnu čiernu dieru.
Na pozadí jasného plynu
gravitačná sila čiernej diery ťahá svetlo a ohýba ho do tvaru kruhu.
Toto však nie je skutočná fotografia, ale výtvor počítačovej grafiky,
umelecká interpretácia toho, ako by čierna diera mohla vyzerať.
Pred sto rokmi Albert Einstein
prvýkrát publikoval teóriu všeobecnej relativity.
V nasledujúcich rokoch
vedci poskytli mnoho dôkazov, ktoré túto teóriu podporovali.
Jedna časť tejto teórie, čierne diery, však ešte stále nebola priamo pozorovaná.
Hoci máme predstavu, ako by čierna diera mohla vyzerať,
ešte nikdy sme ju neodfotili.
Možno vás to prekvapí, ale čoskoro sa to možno zmení.
Prvú fotografiu čiernej diery možno uvidíme už o niekoľko rokov.
Či prvú fotografiu čiernej diery získame, závisí od tímu medzinárodných vedcov,
teleskopu vo veľkosti Zeme
a algoritmu, ktorý konečnú fotografiu spojí dokopy.
Hoci vám dnes nemôžem ukázať skutočnú fotografiu čiernej diery,
ukážem vám, ako sa snažíme prvú fotografiu získať.
Volám sa Katie Bouman a som doktorandka na MIT.
Robím výskum v počítačovom laboratóriu,
ktorý pracuje na tom, aby počítače vďaka obrázkom a videám videli.
Hoci nie som astronómka, dnes by som vám chcela ukázať,
ako som prispela k tomuto úžasnému projektu.
Ak sa vyhnete jasným svetlám mesta,
možno budete mať šťastie a naskytne sa vám pohľad
na galaxiu Mliečna cesta.
Keď sa pozriete ďalej, za milióny hviezd,
26-tisíc svetelných rokov k srdcu Mliečnej cesty,
nakoniec prídete k zhluku hviezd priamo v jej strede.
Astronómovia pomocou infračervených teleskopov
cez galaktický prach pozorujú tieto hviezdy už viac ako 16 rokov.
Najzaujímavejšie však je to, čo nevidia.
Zdá sa, že tieto hviezdy obiehajú okolo neviditeľného objektu.
Keď astronómovia sledovali dráhu týchto hviezd, vyvodili,
že jediná vec, ktorá by bola dostatočne malá a ťažká, aby pohyb spôsobila,
je supermasívna čierna diera –
objekt taký hustý, že vtiahne všetko, čo sa k nej odváži priblížiť –
dokonca aj svetlo.
Čo sa však stane, ak ju priblížime ešte viac?
Je možné uvidieť niečo, čo je z jej podstaty nemožné vidieť?
Ukázalo sa, že ak si priblížime na rádiovlny,
môžeme vidieť kruh svetla,
spôsobený gravitačným šošovkovaním horúcej plazmy,
ktorá je okolo čiernej diery.
Inými slovami,
čierna diera vrhá tieň na toto pozadie svetlého materiálu
a vyhlbuje tým oblasť tmy.
Tento svetlý kruh odhaľuje horizont udalostí čiernej diery,
kde je gravitačná sila taká silná, že neunikne ani svetlo.
Einsteinove rovnice predpovedajú veľkosť a tvar tohto kruhu,
takže ak by sme ho odfotili, nebolo by to len fakt super,
ale pomohlo by to overiť, že tie rovnice sú platné
aj v extrémnych podmienkach okolo čiernej diery.
Lenže táto čierna diera je od nás tak ďaleko,
že zo Zeme ten kruh vyzerá veľmi malý –
asi tak, ako by sme videli pomaranč na povrchu Mesiaca.
Preto je odfotenie čiernej diery nesmierne náročné.
Prečo?
Má to na svedomí jednoduchá rovnica.
Pre jav zvaný difrakcia existujú základné limity toho,
aké najmenšie objekty môžeme vidieť.
Táto hlavná rovnica hovorí, že čím menšie objekty chceme vidieť,
tým musí byť teleskop väčší.
Ale aj s najvýkonnejšími optickými teleskopmi na Zemi
sa nedokážeme priblížiť tak, aby sme mali potrebné rozlíšenie
na odfotografovanie povrchu Mesiaca.
Tu je fotografia Mesiaca s jedným z najväčších rozlíšení,
ktorú sme kedy zo Zeme odfotili.
Má asi 13-tisíc pixelov
a každý pixel by mohol obsahovať asi 1,5 milióna pomarančov.
Aký veľký teleskop teda potrebujeme,
aby sme videli pomaranč na povrchu Mesiaca
a následne aj našu čiernu dieru?
Keď sa pozrieme na čísla, dokážeme vypočítať,
že potrebujeme teleskop veľkosti celej Zeme.
(smiech)
Ak by sme mohli postaviť teleskop veľký ako Zem,
mohli by sme vidieť kruh svetla
znázorňujúci horizont udalostí čiernej diery.
Hoci taká fotografia by nemala všetky detaily,
ktoré vidíme na počítačovej grafike,
pomohlo by nám to zazrieť bezprostredné okolie čiernej diery.
Ako si však viete predstaviť,
postaviť rádiový teleskop veľkosti Zeme je nemožné.
Ale ako hovorí Mick Jagger:
„Nemôžeš vždy mať, čo chceš,
ale ak sa posnažíš, možno zistíš, že si dostal, čo potrebuješ.“
Spojením teleskopov po celom svete
medzinárodná spolupráca zvaná Teleskop horizontu udalostí
vytvára počítačový teleskop veľkosti Zeme,
ktorý je schopný rozložiť štruktúru v mierke horizontu udalostí.
Táto sieť teleskopov plánuje odfotiť
svoju prvú fotografiu čiernej diery už budúci rok.
Všetky teleskopy v tejto svetovej sieti pracujú spolu.
Sú spojené presným načasovaním atómových hodín
a tím výskumníkov na každom mieste zastaví svetlo tým,
že zozbiera tisícky terabytov dát.
Tieto dáta sa potom spracujú v laboratóriu tu v Massachusetts.
Ako to teda funguje?
Pamätáte, že ak chceme vidieť čiernu dieru v strede našej galaxie,
potrebujete postaviť tento nemožne veľký teleskop o veľkosti Zeme?
Na chvíľu si predstavme, že taký teleskop postaviť vieme.
Zem by sme tým premenili na obrovskú točiacu sa diskoguľu.
Každé jedno zrkadlo by zbieralo svetlo,
ktoré by sme potom spojili a vytvorili fotografiu.
Čo ak by sme väčšinu zrkadiel odstránili a ostalo by ich len zopár?
Mohli by sme sa pokúsiť dať tie informácie dokopy,
ale bolo by tam veľa dier.
Tieto zostávajúce zrkadlá predstavujú miesta, kde teleskopy máme.
Z takého malého počtu merania je nemožné urobiť fotografiu.
Lenže hoci zbierame svetlo len z niekoľkých miest,
ako sa Zem točí, získame ďalšie merania.
Inými slovami, ako sa diskoguľa otáča, tieto zrkadlá menia svoje miesta
a môžeme pozorovať iné časti fotografie.
Vyvinuli sme algoritmus, ktorý zapĺňa chýbajúce medzery na diskoguli
a rekonštruuje skrytú fotografiu čiernej diery.
Ak by sme mali teleskopy umiestnené po celej Zemi,
inými slovami, po celej diskoguli, bolo by to jednoduché.
My však vidíme len pár vzoriek,
a preto existuje nekonečné množstvo možných fotografií,
ktoré dokonale zodpovedajú našim meraniam teleskopu.
Nie všetky fotky sú si rovné.
Niektoré fotky vyzerajú viac ako fotky, než iné.
Mojou úlohou na ceste k prvej fotografii čiernej diery
je navrhnúť algoritmy, ktoré nájdu najlepšiu fotku,
ktorá zároveň zapadá do meraní teleskopov.
Rovnako ako súdny kreslič, ktorý používa obmedzené opisy,
aby vytvoril obrázok pomocou svojich znalostí štruktúry tváre,
algoritmus, ktorý vyvíjam, používa naše obmedzené dáta z teleskopov,
aby nás naviedol k obrázku, ktorý tiež vyzerá ako niečo vo vesmíre.
Pomocou týchto algoritmov sa nám podarilo poskladať obrázky
z týchto riedkych a nejasných dát.
Tu vidíte vzorovú rekonštrukciu pomocou simulovaných dát,
kde sa tvárime, že mierime naše teleskopy na čiernu dieru našej galaxie.
Hoci to je len simulácia, takáto rekonštrukcia nám dáva nádej,
že čoskoro budeme spoľahlivo môcť urobiť prvú fotografiu čiernej diery
a potom určiť veľkosť jej kruhu.
Hoci by som vám rada povedala o všetkých detailoch tohto algoritmu,
našťastie pre vás, nemám na to čas.
Aj tak by som vám rada vysvetlila, ako určujeme, ako vesmír vyzerá
a ako to používame na rekonštruovanie a overovanie našich výsledkov.
Keďže existuje nekonečné množstvo možných fotiek,
ktoré dokonale vysvetľujú naše merania teleskopmi,
musíme si medzi nimi nejako vybrať.
Robíme to tým, že obrázky hodnotíme
podľa toho, ako veľmi je pravdepodobné, že vyzerajú ako čierna diera
a potom vyberieme ten, ktorý má najväčšiu pravdepodobnosť.
Čo presne tým myslím?
Povedzme, že sa snažíme spraviť model,
ktorý by nám povedal, ako sa asi fotka bude zobrazovať na Facebooku.
Asi by sme chceli, aby model povedal,
že je nepravdepodobné, že by niekto zverejnil zrnitý obrázok naľavo
a pravdepodobné, že niekto by publikoval selfie ako tú napravo.
Obrázok v strede je rozmazaný
a hoci je pravdepodobnejšie, že ho na Facebooku uvidíme
v porovnaní s tým zrnitým,
je to menej pravdepodobné v porovnaní so selfie.
Keď ide o fotky čiernej diery,
máme pred sebou skutočný rébus: nikdy predtým sme čiernu dieru nevideli.
Ako asi bude fotka čiernej diery vyzerať
a čo sa môžeme domnievať o štruktúre čiernych dier?
Mohli by sme použiť fotky zo simulácií, ktoré sme spravili,
ako obrázok čiernej diery z Interstellaru, ale mohlo by to spôsobiť vážne problémy.
Čo by sa stalo, ak by sa Einsteinove teórie nepotvrdili?
Stále by sme chceli zrekonštruovať presnú fotografiu toho, čo tam je.
Ak Einsteinove rovnice do našich algoritmov zavedieme až príliš,
nakoniec uvidíme niečo, čo aj očakávame.
Inými slovami si chceme nechať otvorené možnosti,
lebo možno je v strede našej galaxie obrovský slon.
(smiech)
Rôzne druhy fotiek majú rôzne vlastnosti.
Vieme ľahko rozlíšiť medzi simulovanými fotkami čiernej diery
a fotkami, ktoré snímame každý deň na Zemi.
Potrebujeme spôsob, ako algoritmom povedať,
ako fotky vyzerajú bez toho, aby sme nevnútili istú vlastnosť fotky.
Jeden spôsob, ako to spraviť, je využiť vlastnosti rôznych fotiek
a vidieť, ako ten typ fotky ovplyvňuje naše rekonštrukcie.
Ak všetky druhy obrázkov vytvoria podobné obrázky,
budeme si môcť byť istejší,
že naše predstavy o fotke veľmi neovplyvňujú výslednú fotku.
Je to podobné, ako by sme dali rovnaký opis
trom rôznym kresličom z celého sveta.
Ak všetci nakreslia podobnú tvár, potom si môžeme byť istejší,
že do kresieb nevkladajú vlastné kultúrne vplyvy.
Jeden spôsob, ako sa snažíme vložiť rôzne vlastnosti obrázka,
je použitím častí existujúcich obrázkov.
Vezmeme si veľkú zbierku obrázkov
a rozčleníme si ich na niekoľko malých políčok.
Každé políčko potom berieme ako malý kúsok skladačky.
Potom použijeme spoločne videné kúsky skladačky a vytvoríme obrázok,
ktorý zapadá aj do našich meraní teleskopmi.
Rôzne druhy obrázkov majú osobitné série kúskov skladačky.
Čo sa stane, keď vezmeme rovnaké údaje,
ale použijeme rôzne série kúskov skladačky na rekonštrukciu obrázka?
Začnime najskôr s kúskami skladačky simulácie čiernej diery.
Dobre, toto vyzerá obstojne.
Takto očakávame, že čierna diera vyzerá.
Získali sme tento obrázok preto,
lebo sme doň vložili malé kúsky obrázkovej simulácie čiernej diery?
Skúsme ďalšie kúsky skladačky
z astronomických objektov, nie z čiernych dier.
Dobre, získali sme podobný obrázok.
A čo kúsky každodenných fotiek,
ako napríklad tie, ktoré odfotíte svojím foťákom?
Super, je to rovnaký obrázok.
Keď dostaneme rovnaký obrázok z rôznych kúskov skladačky,
vtedy si môžeme byť istejší, že naše predpoklady o fotografii
neovplyvňujú konečnú fotografiu príliš veľmi.
Ďalej môžeme zobrať rovnaké kúsky skladačky,
ako napríklad tie odvodené od každodenných obrázkov,
a použiť ich na rekonštrukciu rôznych zdrojových obrázkov.
V našich simuláciách predstierame, že čierna diera
vyzerá ako astronomický objekt, ktorý nie je čierna diera,
rovnako ako každodenné obrázky ako slon v strede našej galaxie.
Keď výsledky našich algoritmov dole vyzerajú podobne,
ako pravdivý obrázok našej simulácie hore,
potom môžeme našim algoritmom viac veriť.
Chcem tu skutočne zdôrazniť, že všetky tieto obrázky boli vytvorené
poskladaním malých kúskov každodenných fotografií,
aké by sme odfotili svojím foťákom.
Takže obrázok čiernej diery, ktorý sme nikdy nevideli,
môže byť nakoniec vytvorený spojením obrázkov, ktoré vidíme stále,
obrázkov ľudí, budov, stromov, mačiek a psov.
Vďaka takémuto snímaniu budeme môcť odfotiť prvú fotku čiernej diery.
Dúfame, že budeme môcť aj potvrdiť slávne teórie,
od ktorých vedci každodenne závisia.
Samozrejme, získať takéto fotografie by nebolo možné
bez úžasného tímu vedcov, s ktorými mám to privilégium pracovať.
Stále ma udivuje, že hoci som na tomto projekte
začala pracovať bez vedomostí z astrofyziky,
výsledkom našej jedinečnej spolupráce,
by mohlo vyústiť do úplne prvej fotografie čiernej diery.
Veľké projekty ako Teleskop horizontu udalostí
sú úspešné vďaka interdisciplinárnym kvalifikáciám,
ktoré rôzni ľudia do projektu prinášajú.
Sme zmesou astronómov, fyzikov, matematikov a inžinierov.
A toto umožní dosiahnuť niečo, čo sme považovali za nedosiahnuteľné.
Chcela by som vás všetkých podporiť v tom, aby ste pomohli posúvať hranice vedy.
Aj keď vám to najskôr môže pripadať tajomné ako čierna diera.
Ďakujem.
(potlesk)