Bir Kara Delik Fotoğrafı Nasıl Çekilir | Katie Bouman | TEDxBeaconStreet

Bir kara deliğin resmini çekebilmek için bir gezegen boyutunda bir teleskopa ihtiyacınız var. Bu pek de mümkün değil ama Katie Bouman ve ekibi kompleks algoritmalar ve küresel işbirliği ile buna alternatif bir çözüm geliştirdi. Nihai karanlığı nasıl görebileceğimizi öğrenmek için konuşmayı dinleyin.

Katie Bouman, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) Bilişim ve Yapay Zekâ Laboratuvarı'nda, William T. Freeman gözetmenliği altında, doktora öğrencisi. 2011 ylında Michigan Üniversitesi'nde Elektrik Mühendisliği Fen Bilimleri Lisans Derecesi ve 2013 yılında MIT Cambridge'te Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Yüksek Lisans derecesi aldı. Katie, yeni ortaya çıkan bilgisayımsal yöntemler ile disiplinler arası görsellemenin sınırlarını zorlamak üzerine çalışma yapıyor.

Bu konuşma TED’den bağımsız, yerel bir topluluğun düzenlediği bir TEDx etkinliğinde TED Konferansı formatı kullanılarak yapılmıştır. Daha fazla bilgi için: http://ted.com/tedx

"Yıldızlararası" filminde

süper kütleli bir kara deliğe
yakından baktık.

Parlak gaz arkasında,

kara deliğin süper yerçekimi
halka şeklinde

ışığı içine doğru büküyor.

Ancak bu gerçek bir fotoğraf değil,

bu bir bilgisayar grafik tasarımı --

kara deliğin neye benzediğinin
sanatsal bir yorumu.

Yüz yıl önce,

Albert Einstein ilk genel
görelilik kavramını yayınladı.

Sonraki yıllar içinde,

bilim insanları bunu destekleyen
pek çok kanıt öne sürdüler.

Bu teoriden çıkarılan
kara delik konusu ise

hâlâ doğrudan gözlemlenemedi.

Bir kara deliğin neye benzediği
hakkında fikrimiz olsa da

daha önce hiç resmini çekemedik.

Önümüzdeki birkaç yıl içinde

ilk kara delik resmimizi görebilecek
olma ihtimalimiz sizi şaşırtabilir.

Bu resmi elde edebilmek için
uluslararası bilim insanları konseyi,

dünya büyüklüğünde bir teleskop

ve resmi son hâline getirecek
bir algoritmaya ihtiyacımız var.

Bugün size bir kara delik resmi
gösteremiyor olsam da

bu ilk resmi elde etmeye
yönelik çalışmalardan kısa bir

önizleme sunmak istiyorum.

Benim adım Katie Bouman,

MIT'de doktora öğrencisiyim.

Bilgisayarların görüntü ve video analizi

yapmasını sağlayan bir bilişim
laboratuvarında araştırma yapıyorum.

Astrobilimci olmadığım hâlde

bu heyecan verici projeye

nasıl katkı sağladığımı
size göstermek istiyorum.

Bu gece şehrin parlak
ışıklarından uzağa giderseniz,

Samanyolu galaksisinin eşsiz manzarasını

görme şansına erişebilirsiniz.

Milyonlarca yıldız içinden
yakınlaştırma yaparsanız,

sarmal Samanyolu'nun merkezine
doğru 26.000 ışık yılı mesafesinde,

tam ortada bir yıldız kümesine ulaşıyoruz.

Kızılötesi teleskoplarla yıldız
tozunu da aşarak

uzay bilimciler bu yıldızları
16 yıl boyunca izledi.

Nefes kesen konu aslında görmedikleri şey.

Bu yıldızlar görünmez bir
nesne etrafında dönüyorlar.

Bu yıldızların geçmişini inceleyerek,

uzay bilimciler buna sebep

olacak küçük ve ağır tek şeyin
süper kütleli bir kara delik

olduğu sonucunu çıkardılar.

Çok yakınına gelen her şeyi
yutan çok yoğun bir nesne --

ışık dâhil.

Daha da yakınlaştırırsak ne olur peki?

Görmesi imkânsız diye tanımlanan
bir şeyi görmek mümkün mü?

Radyo dalga uzunluğunda
yakınlaştırma yaptığımız zaman

sıcak plazmanın yerçekiminden

kaynaklanan ve kara deliğin
etrafını sarmış

bir ışık halkası görmeyi umuyorduk.

Başka bir deyişle,

kara delik bize parlak materyalin
bir gölgesini gösteriyor

ve karanlık bir küre hâlini alıyor.

Bu parlak halka kara deliğin
olay ufkunu açığa çıkarıyor,

yani yerçekimi kuvveti
öylesine büyük ki

ışık bile bundan kaçamıyor.

Einstein'ın denklemleri bu halkanın
boyut ve şeklini öngörüyor,

yani bunun bir resmini elde etmek
yalnızca güzel olmakla kalmayacak,

kara deliğin etrafındaki
şiddetli koşullarda bile

bu denklemlerin geçerli
olduğunu kanıtlayacak.

Ancak bu kara delik bizden çok uzak,

Dünya'dan bu halka
aşırı küçük görünüyor --

Bizim için ayın yüzeyinde
bir portakaldan farksız.

Bu da onun bir fotoğrafını
çekmeyi aşırı zor kılıyor.

Niçin?

Basit bir denklemle açıklayabiliriz.

Kırınım dediğimiz bir fenomen sayesinde

görebileceğimiz en küçük

nesnelere ilişkin temel sınırlarımız var.

Bu denkleme göre gittikçe
daha küçük şeyler görebilmek için

teleskoplarımızı büyütmemiz gerek.

Ancak Dünya'daki en güçlü
optik teleskoplarla bile

ayın yüzeyini resmetmek için gerekli olan

çözünürlüğe yaklaşamıyoruz bile.

İşte burada Ay'ın Dünya'dan çekilmiş
en yüksek çözünürlükte

resimlerinden biri.

Kabaca 13.000 piksel var

ve her bir piksel 1,5 milyonu
aşkın portakal demek.

O hâlde Ay'ın yüzeyindeki bir portakalı

görebilmek için ne kadar
büyük bir teleskop gerek?

Diğer bir deyişle, kara deliği?

Öyle görünüyor ki hesap yaptığımız zaman,

Dünya boyutunda bir teleskopa
ihtiyacımız olduğunu

kolayca çıkarabiliyoruz.

(Kahkaha)

Dünya boyutunda bu teleskopu yapabilirsek,

kara deliğin olay ufku anlamına gelen

o eşsiz ışık halkasını
yorumlamaya başlarız.

Bu resim, bilgisayar grafik
tasarımında gördüğümüz

tüm detayları içermeyecek de olsa

bir kara deliğin yakın çevresi hakkında

önizleme yapmamızı sağlayacaktır.

Yine de takdir edersiniz ki

Dünya boyutunda bir teleskop
yapmak imkânsız.

Mick Jagger'ın ünlü sözleri gibi,

''Her zaman istediğinizi elde edemezsiniz,

ama bazen çalışırsanız,
ihtiyacınız olan şeyi

bulabilirsiniz.''

Tüm dünyadaki teleskoplar
birbirine bağlanarak,

Event Horizon Teleskopu adı verilen
uluslararası bir ortaklıkla

bir kara deliğin olay ufku
ölçeği üstünden yapısını ayrıştıran

bilgisayar ortamında

Dünya boyutunda bir teleskop yaratılıyor.

Bu teleskoplar ağının
önümüzdeki yıl ilk kara delik

fotoğrafını çekmesi tasarlanıyor.

Dünya üzerindeki tüm teleskoplar
birlikte çalışıyor.

Atomik saatlerin tam zamanlaması yoluyla

gözlem yerlerinde araştırma
ekipleri binlerce terabayt

veri toplayarak ışığı donduruyor.

Bu veri daha sonra Massachusetts'deki
laboratuvarda işleniyor.

Peki işe yarıyor mu?

Galaksimizin merkezindeki
kara deliği görmek istiyorsak,

bu imkânsız büyüklükteki
teleskopu yapmamız lazım, değil mi?

Diyelim ki Dünya boyutunda

bir teleskop yapabildik.

Dünyayı dönen bir disko küresine

çevirmek gibi bir şey olurdu bu.

Her bir aynanın ışığı toplaması gerekirdi,

biz de bunları birleştirerek
bir resim oluşturabilelim.

Şimdi de bu aynalardan
çoğunu kaldırdığımızı varsayalım,

yalnızca birkaç tane kalsın.

Yine tüm bilgiyi birleştireceğiz,

ama şimdi bir sürü boşluk var.

Kalan bu aynalar teleskopumuz
olan alanları temsil ediyor.

Bu resim elde edebilmek için
inanılmaz küçük bir ölçüm.

Yalnızca birkaç teleskop alanında
ışığı topluyor olmamıza karşın,

Dünya döndükçe,
diğer yeni ölçümler elde ediyoruz.

Yani disko küresi döndükçe,
bu aynaların lokasyonu değişiyor

ve hedefin değişik yanlarını
görme imkânı ediniyoruz.

Bu görüntüleme algoritmaları
disko küresinin boşluklarını dolduruyor,

söz konusu kara delik resminin
oluşturulmasına imkân sağlıyor.

Dünyanın her yerinde
teleskoplar olsaydı --

yani tam bir disko küresi olsaydık --

bunun bir önemi olmazdı.

Ancak yalnızca birkaç örnek
görebiliyoruz, bu nedenle

teleskop ölçümlerimize tam tamına uyan

sonsuz sayıda muhtemel görsel var,

fakat tüm görseller eşit oluşturulmuyor.

Bu görsellerin bir kısmı bizim kabul
ettiğimiz koşullara daha çok uyuyor.

Bu noktada ilk kara delik resminin
çekilmesinde benim rolüm

teleskop ölçümlerimize uyumlu
en makul görseli bulacak

algoritmaları tasarlamak.

Tıpkı adli birimlerin
yüz yapısı bilgisi kullanarak

kısıtlı tariflerle bir robot resim
oluşturması gibi,

geliştirdiğim görsel algoritmalar da
kısıtlı teleskop verisi ile

evrendeki şeylere benzeyen
bir resim oluşturmamıza yardım ediyor.

Bu algoritmaları kullanarak,
seyrek ve karmaşık veriler arasından

bir resim oluşturabiliyoruz.

Burada benzetilmiş veriler kullanarak
yapılmış bir oluşturma görüyorsunuz,

teleskoplarımızı galaksinin merkezindeki

kara deliğe yöneltmiş gibi yapıyoruz.

Bu yalnızca bir simülasyon olsa da
bu tür bir oluşturma yakın zamanda

bir kara deliğin sağlam bir resmini
çekeceğimizin umudunu veriyor,

bununla da halkasının
boyutuna karar vereceğiz.

Bu algoritmanın detaylarına
inmek istesem de

şanslısınız ki bunun için vaktim yok.

Yine de size evrenin neye benzediği

ve bunu sonuç oluşturma ve
doğrulama yapmak için

nasıl kullandığımızla ilgili
kısa bir bilgi vermek istiyorum.

Teleskop ölçümlerimizi
kusursuz bir şekilde açıklayan

sayısız muhtemel görsel olduğu için,

bunlardan birini seçmemiz gerekiyor.

Bunu yapmak için kara delik olma

ihtimallerine göre sıralama yapıyoruz,

sonra da en muhtemel olanı seçiyoruz.

Tam olarak ne demek istiyorum?

Varsayalım bize bir görselin Facebook'ta

görünmesinin ne kadar olası olduğunu
söyleyen bir model yapıyoruz.

Muhtemelen modelin bize

sol tarafta bu karmaşık görseli birinin
paylaşmasının olası olmadığını

ve sağ tarafta birinin böyle bir özçekim

paylaşacağını söylesin isteriz.

Ortadaki görsel bulanık,

yani karmaşık resme oranla
bunu Facebook'ta daha çok

görme ihtimalimiz olsa da

selfiye oranla görme
ihtimalimiz çok daha düşük.

Ancak konu kara delik görselleri olunca,

bir merak konusu ortaya çıkıyor:
Daha önce hiç kara delik görmedik.

Bu durumda olası
bir kara delik görseli nedir

ve kara deliklerin yapısı hakkında
ne varsaymalıyız?

''Yıldızlararası'' filmindeki
kara delik görseli gibi

yaptığımız simülasyonlardan
görseller kullanabiliriz,

ama bunu yaparsak bazı
sorunlara yol açabilir.

Einstein'ın teorileri
doğru çıkmazsa ne olur?

Yine de olan bitenin doğru
bir resmini oluşturmak isteriz.

Einstein'ın denklemlerini
algoritmalarımıza çok fazla harmanlarsak

görmeyi umduğumuz şeyi görürüz.

Başka bir deyişle, galaksimizin ortasında

dev bir fil olması ihtimali
için bu seçeneği açık bırakalım.

(Kahkaha)

Değişik türde görseller
çok farklı özellikler taşır.

Kara delik simülasyonu görselleri
ve her gün Dünya'da çektiğimiz

görselleri kolayca ayırabilmekteyiz.

Belli bir görselin özelliklerini
çok fazla yansıtmadan

algoritmalarımıza görsellerin
neye benzediğini anlatmamız lazım.

Bunu deneyebileceğimiz bir yöntem

farklı tür görsellerin özelliklerini
yansıtmak ve varsaydığımız

görselin oluşturduğumuz
görselleri nasıl etkilediğine bakmak.

Tüm bu farklı tür görseller çok benzer
bir resim meydana getirirse

resme dair yaptığımız varsayımların

tarafsız olduğu konusunda
kendimize güvenmeye başlıyoruz.

Tıpkı dünyanın değişik yerlerinde

üç farklı polis ressamına
aynı tarifi vermek gibi.

Eğer hepsi birbirine benzeyen
bir yüz oluşturursa,

kendi kültürel önyargılarını

çizimlerine yansıtmadıkları
kanısına varırız.

Değişik tür görsel özelliklerini
yansıtmanın yollarından biri

var olan görsellerden parçalar kullanmak.

Yani bir yığın toplu görseli alıp

küçük görsel yamalarına ayırıyoruz.

Sonra her bir görsel yamaya
bir yapbozun parçaları gibi davranıyoruz.

Çok sık gördüğümüz parçaları
bir görsel oluşturmak için kullanıyoruz,

bu da bizim teleskop ölçümlerimize uyuyor.

Değişik tür görseller çok farklı
yapboz parçası takımına sahip.

O hâlde görseli oluşturmak için

aynı veriyi kullanıp değişik
yapboz takımını kullanırsak ne olur?

Öncelikle kara delik görsel
simülasyon yapboz takımıyla başlayalım.

Pekâlâ, bu makul görünüyor.

Bu bir kara deliğin
varsaydığımız görüntüsü.

Peki bunu o küçük

kara delik simülasyon görsel
parçalarıyla mı elde ettik?

Başka bir yapboz takımı deneyelim,

astronomik, konu dışı nesnelerden.

Pekâlâ, benzer görünen bir görsel aldık.

Gündelik görsellerden parçalar
almayı deneyelim.

Telefonunuzun kamerasıyla
çektiğiniz fotoğraflar gibi?

Harika, aynı görseli aldık.

İşte değişik yapboz parçalarından
aynı görseli aldığımız zaman,

yaptığımız varsayımların

son görsel üzerinde

çok fazla önyargı etkisi yapmadığı
kanısına varabiliriz.

Yapabileceğimiz diğer bir şey
günlük görsellerden oluşan

parçalar gibi aynı yapboz parçalarını alıp

pek çok farklı kaynak görsel
oluşturmak üzere kullanmak.

Yani simülasyonlarımızda,

bir kara deliğin astronomik rastgele
bir nesneye benzediğini varsayıyoruz,

galaksimizin merkezinde bir fil
misali günlük görseller gibi.

Aşağıdaki algoritmalarımızın sonucu
yukarıdaki gerçek simülasyon

görseline çok benzer çıktığı zaman,

algoritmalarımıza olan güvenimiz
artmaya başlıyor.

Burada vurgulamak istediğim nokta

bu resimlerin hepsi günlük fotoğrafların

küçük parçaları bir araya
getirilerek oluşturuldu,

tıpkı sizin cep telefonlarıyla
çektikleriniz gibi.

Yani daha önce hiç görmediğimiz
bir kara delik görseli

her zaman gördüğümüz resimler
birleştirilerek oluşturulabilir.

Bu şekilde fikirleri resmetmek

ilk kara delik resmini
çekmemizi sağlayacak

ve umuyorum ki bilim insanlarının

çalışmalarını dayandırdığı
teorileri doğrulayacak.

Ancak tabii ki bu fikirleri
resmetme çalışması

birlikte çalışma ayrıcalığına sahip
olduğum muhteşem araştırma

ekibi olmadan asla mümkün olmazdı.

Hâlâ şaşırıyorum,

astrofizik alanında altyapım
olmadan bu projeye başlamama rağmen,

bu eşsiz işbirliği sayesinde
başardıklarımız

ilk kara delik resmini
çekmemizle sonuçlanabilir.

Event Horizon Teleskopu
gibi büyük projeler

farklı insanları aynı masada
toplayan bu disiplenler arası

uzmanlık sayesinde başarılılar.

Biz çok farklı astrobilimcileriz,

fizikçiler, matematikçiler ve mühendisler.

Bir zamanlar imkânsız diye düşünülen

bir işi başaracak olmamızın sebebi bu.

Lütfen bir adım atın

ve bilimin sınırlarını zorlayın,

her ne kadar bu size önce
bir kara delik kadar gizemli görünse de.

Teşekkür ederim.

(Alkış)