Jak pořídit obrázek černé díry

V srdci Mléčné dráhy je obří černá díra, která se živí rotujícím diskem horkého plynu, pohlcujícím cokoliv, co se octne příliš blízko -- dokonce i světlo. Nemůžeme ji vidět, ale její horizont událostí vrhá stín a obrázek tohoto stínu by nám mohl pomoci zodpovědět některé důležité otázky o vesmíru. Vědci si mysleli, že takový obrázek je možné pořídit pouze pomocí teleskopu velikosti Země -- dokud Katie Bouman a tým astronomů nepřišli s chytřejší alternativou. Podívejte se, jak můžeme vidět v absolutní temnotě.

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)