Πώς να φωτογραφήσετε μια μαύρη τρύπα

Στο κέντρο του Γαλαξία μας, υπάρχει μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που τρέφεται από έναν περιστρεφόμενο δίσκο καυτών αερίων, απορροφώντας οτιδήποτε τολμήσει να τον πλησιάσει -- ακόμα και το φως. Δεν μπορούμε να τη δούμε, αλλά ο ορίζοντας των γεγονότων δημιουργεί μια σκιά και μια εικόνα αυτής της σκιάς θα μπορούσε να βοηθήσει στην απάντηση μερικών σημαντικών ερωτημάτων σχετικά με το Σύμπαν. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι για τη δημιουργία μιας τέτοιας εικόνας θα απαιτούνταν ένα τηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης -- μέχρι που η Κέιτι Μπάουμαν και μια ομάδα αστρονόμων σκέφθηκε μια έξυπνη εναλλακτική. Μάθετε περισσότερα για το πώς μπορούμε να δούμε στο απόλυτο σκοτάδι.

Στην ταινία «Interstellar»,

βλέπουμε μια κοντινή εικόνα
μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας.

Τοποθετημένη σε φόντο φωτεινού αερίου,

η μαζική βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας

κάμπτει το φως σε δακτύλιο.

Ωστόσο, αυτή δεν είναι
πραγματική φωτογραφία,

αλλά γραφική απεικόνιση στον υπολογιστή,

μία καλλιτεχνική ερμηνεία του
πώς μπορεί να μοιάζει μια μαύρη τρύπα.

Εκατό χρόνια πριν,

ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρωτοδημοσίευσε
τη γενική θεωρία της σχετικότητας.

Στα χρόνια που ακολούθησαν,

οι επιστήμονες έχουν παράσχει
πολλά στοιχεία που την υποστηρίζουν.

Αλλά κάτι που προβλεπόταν
από αυτή τη θεωρία, οι μαύρες τρύπες,

δεν έχει ακόμα παρατηρηθεί άμεσα.

Παρότι έχουμε μια ιδέα για το πώς
μπορεί να μοιάζει μια μαύρη τρύπα,

δεν την έχουμε βγάλει ποτέ φωτογραφία.

Ωστόσο, μπορεί να εκπλαγείτε αν μάθετε
ότι αυτό μπορεί σύντομα ν' αλλάξει.

Μπορεί να δούμε την πρώτη φωτογραφία
μιας μαύρης τρύπας στα επόμενα χρόνια.

Η λήψη αυτής της πρώτης φωτογραφίας,
θα εξαρτηθεί από διεθνή ομάδα επιστημόνων,

ένα εικονικό τηλεσκόπιο
στο μέγεθος της Γης

και έναν αλγόριθμο που θα
ενώσει την τελική εικόνα.

Παρότι σήμερα δεν θα σας δείξω
μια πραγματική εικόνα μαύρης τρύπας,

θέλω να ρίξουμε μια σύντομη ματιά
στην προσπάθεια που γίνεται

για τη λήψη αυτής της πρώτης φωτογραφίας.

Ονομάζομαι Κέιτι Μπάουμαν

και είμαι υποψήφια διδάκτορας στο ΜΙΤ.

Κάνω έρευνα σε ένα εργαστήριο πληροφορικής

κατασκευάζοντας υπολογιστές
που βλέπουν μέσα από εικόνες και βίντεο.

Παρότι δεν είμαι αστρονόμος,

θα ήθελα να σας δείξω

πώς έχω συνεισφέρει
σε αυτό το συναρπαστικό έργο.

Αν πάτε κάπου μακρυά
από τα λαμπερά φώτα της πόλης απόψε,

μπορεί να σταθείτε τυχεροί
και να δείτε μια εκπληκτική όψη

του Γαλαξία μας.

Εάν μπορούσατε να μεγεθύνετε
πέρα από εκατομμύρια αστέρια

26.000 έτη φωτός προς το κέντρο
του ελικοειδή Γαλαξία μας,

θα φτάνατε τελικά σε ένα σύμπλεγμα
αστεριών ακριβώς στο κέντρο.

Κοιτώντας πέρα από όλη τη γαλαξιακή σκόνη
με υπέρυθρα τηλεσκόπια,

οι αστρονόμοι έχουν παρακολουθήσει
αυτά τα άστρα πάνω από 16 χρόνια.

Αλλά το πιο θεαματικό,
είναι αυτό που δεν βλέπουν.

Αυτά τα άστρα περιστρέφονται
γύρω από ένα αόρατο αντικείμενο.

Παρακολουθώντας την τροχιά
αυτών των αστεριών,

οι αστρονόμοι έχουν συμπεράνει

ότι το μόνο μικρό και βαρύ πράγμα
ικανό να προκαλέσει αυτήν την κίνηση

είναι μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα --

ένα αντικείμενο τόσο πυκνό που απορροφά
οτιδήποτε τολμήσει να την πλησιάσει --

ακόμα και το φως.

Αλλά τι θα συμβεί εάν μεγεθύνουμε
ακόμα παραπέρα;

Είναι πιθανό να δούμε κάτι, το οποίο
εξ' ορισμού, είναι αδύνατον;

Αποδεικνύεται ότι εάν μεγεθύναμε
σε επίπεδο ραδιοκυμάτων,

θα περιμέναμε να δούμε
έναν δακτύλιο φωτός

που προκαλείται από τον βαρυτικό
φακό θερμού πλάσματος

που τρέχει γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Με άλλα λόγια,

η μαύρη τρύπα ρίχνει τη σκιά της
σε αυτό το φόντο από φωτεινό υλικό,

δημιουργώντας μία σκοτεινή σφαίρα.

Αυτό το φωτεινό δακτυλίδι αποκαλύπτει
τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας,

όπου η βαρυτική έλξη αυξάνεται τόσο πολύ

που ούτε το φως δεν μπορεί να φύγει.

Οι εξισώσεις του Αϊνστάιν προβλέπουν
το μέγεθος και το σχήμα του δακτύλιου

έτσι μια εικόνα του
δεν θα ήταν μόνο φανταστική,

αλλά θα βοηθούσε
και στην επαλήθευση των εξισώσεων

στις ακραίες συνθήκες γύρω
από τη μαύρη τρύπα.

Ωστόσο, αυτή η μαύρη τρύπα
είναι τόσο μακρυά από εμάς,

που από τη Γη, το δακτυλίδι
μοιάζει απίστευτα μικρό --

ίδιο σε μέγεθος με ένα πορτοκάλι
στην επιφάνεια της Σελήνης.

Αυτό κάνει εξαιρετικά δύσκολη
τη λήψη μιας φωτογραφίας.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Όλα καταλήγουν σε μια απλή εξίσωση.

Λόγω ενός φαινομένου
που ονομάζεται περίθλαση,

υπάρχουν θεμελιώδη όρια

στα μικρότερα αντικείμενα
που μπορούμε να δούμε.

Αυτή η κυρίαρχη εξίσωση λέει ότι
για να δούμε ακόμα μακρύτερα,

πρέπει να φτιάξουμε
μεγαλύτερο τηλεσκόπιο.

Αλλά, ακόμα και με τα πιο ισχυρά
οπτικά τηλεσκόπια της Γης,

δεν μπορούμε να πλησιάσουμε
την απαιτούμενη ανάλυση

καλής εικόνας της επιφάνειας της Σελήνης.

Αυτή είναι μία από τις μεγαλύτερες
σε ανάλυση εικόνες

της Σελήνης από τη Γη.

Περιέχει περίπου 13.000 πίξελ

και κάθε πίξελ μπορεί να περιέχει
πάνω από 1,5 εκατομμύρια πορτοκάλια.

Πόσο μεγαλύτερο τηλεσκόπιο χρειαζόμαστε

για να δούμε ένα πορτοκάλι
στην επιφάνεια της Σελήνης

και, κατ' επέκταση, τη μαύρη τρύπα;

Αποδεικνύεται, κάνοντας
μερικές πράξεις, ότι μπορούμε

εύκολα να υπολογίσουμε
ότι χρειάζεται ένα τηλεσκόπιο

στο μέγεθος της Γης.

(Γέλια)

Εάν μπορούσαμε να φτιάξουμε
αυτό το τηλεσκόπιο,

ίσα που θα φαινόταν αυτό
το χαρακτηριστικό δαχτυλίδι φωτός,

ενδεικτικό του ορίζοντα γεγονότων
της μαύρης τρύπας.

Αν και η εικόνα δεν θα περιείχε
όλη τη λεπτομέρεια που βλέπουμε

στις απεικονίσεις γραφικών υπολογιστών,

θα είχαμε μια πρώτη ασφαλή ματιά

του άμεσου περιβάλλοντος
γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Παρόλα αυτά, όπως φαντάζεστε,

η δημιουργία ενός τέτοιου τηλεσκοπίου
στο μέγεθος της Γης είναι αδύνατη.

Αλλά στα περίφημα λόγια του Μικ Τζάγκερ,

«Δεν μπορείς να έχεις πάντα αυτό που θες,

αλλά καμιά φορά αν προσπαθήσεις, θα δεις

ότι παίρνεις αυτό που χρειάζεσαι».

Διασυνδέοντας τηλεσκόπια
από όλον τον κόσμο,

μία διεθνής συνεργασία
ονόματι Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων

δημιουργεί ένα υπολογιστικό
τηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης,

με ικανή ανάλυση

στην κλίμακα του ορίζοντα γεγονότων
μιας μαύρης τρύπας.

Αυτό το δίκτυο τηλεσκοπίων είναι
έτοιμο να πάρει την πρώτη εικόνα

μιας μαύρης τρύπας, την επόμενη χρονιά.

Όλα τα τηλεσκόπια στο δίκτυο
συνεργάζονται.

Συνδεδεμένες με την ακρίβεια
ατομικών ρολογιών,

ερευνητικές ομάδες σε κάθε
σταθμό «παγώνουν» το φως

συλλέγοντας δεδομένα χιλιάδων τεραμπάιτ.

Κατόπιν, τα δεδομένα αυτά επεξεργάζονται
σε ένα εργαστήριο εδώ στη Μασαχουσέτη.

Πώς λειτουργεί λοιπόν αυτό;

Θυμάστε, αν θέλουμε να δούμε
τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας,

πρέπει να φτιάξουμε ένα πολύ μεγάλο
τηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης;

Ας υποθέσουμε για λίγο
ότι μπορεί να φτιαχτεί

ένα τηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης.

Αυτό είναι σαν να μετατρέπουμε τη Γη

σε μία τεράστια ντισκομπάλα.

Κάθε μεμονωμένο κάτοπτρο δέχεται φως

που θα μπορούσε να συνδυαστεί,
για να φτιάξουμε μια εικόνα.

Ας υποθέσουμε ότι αφαιρούμε
τα περισσότερα κάτοπτρα,

ώστε να μείνουν μόνο μερικά.

Θα μπορούσαμε ακόμα να συνδυάσουμε
αυτή την πληροφορία,

αλλά τώρα θα υπάρχουν πολλά κενά.

Τα εναπομείναντα κάτοπτρα αντιπροσωπεύουν
τις θέσεις όπου έχουμε τηλεσκόπια.

Αυτός είναι ένας πολύ μικρός αριθμός
για να φτιάξουμε την εικόνα μας.

Παρότι συλλέγουμε εικόνες
σε μερικές θέσεις τηλεσκοπίων,

καθώς η Γη περιστρέφεται, βλέπουμε
άλλες νέες μετρήσεις.

Με άλλα λόγια, καθώς η ντισκομπάλα
περιστρέφεται, τα κάτοπτρα αλλάζουν θέση

και μπορούμε να παρατηρήσουμε
διαφορετικά μέρη της εικόνας.

Ο συνθετικός αλγόριθμος που αναπτύσσουμε
γεμίζει τα κενά της ντισκομπάλας

ώστε να επανακτήσει την υποκείμενη
εικόνα της μαύρης τρύπας.

Εάν είχαμε τηλεσκόπια παντού στην υδρόγειο

-- με άλλα λόγια σε όλη τη ντισκομπάλα --

αυτό θα ήταν παιχνιδάκι.

Ωστόσο, βλέπουμε μόνο μερικά
δείγματα, και γι' αυτόν τον λόγο

υπάρχει άπειρος αριθμός πιθανών εικόνων

που είναι απολύτως σύμφωνος
με τις μετρήσεις των τηλεσκοπίων.

Ωστόσο, δεν είναι όλες
οι εικόνες ισότιμες.

Μερικές μοιάζουν πιο πολύ με αυτό
που θεωρούμε ως εικόνα.

Ο ρόλος μου στη λήψη της πρώτης
εικόνας μιας μαύρης τρύπας

είναι ο σχεδιασμός αλγόριθμων
που βρίσκουν την πιο λογική εικόνα

που συμφωνεί με
τις μετρήσεις των τηλεσκοπίων.

Όπως ένας εγκληματολόγος σκιτσογράφος
χρησιμοποιεί περιορισμένες περιγραφές

για να φτιάξει μια εικόνα βάσει
των γνώσεων του για τη δομή του προσώπου,

ο αλγόριθμος που αναπτύσσω χρησιμοποιεί
τα περιορισμένα τηλεσκοπικά δεδομένα

για να μας οδηγήσει σε μια εικόνα
που επίσης μοιάζει με ύλη στο Σύμπαν.

Χρησιμοποιώντας τέτοιους αλγόριθμους,
μπορούμε να ενώσουμε εικόνες

από αραιά, θορυβώδη δεδομένα.

Εδώ βλέπετε μια ανακατασκευή δείγματος

με τη χρήση προσομοιωμένων δεδομένων,

όπου προσποιούμαστε
να στρέφουμε τα τηλεσκόπιά μας,

στη μαύρη τρύπα
στο κέντρο του Γαλαξία μας.

Παρότι εξομοίωση, μια τέτοια
ανακατασκευή μας δίνει ελπίδα

πως σύντομα θα μπορούμε να έχουμε
μια πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας

και από αυτήν, να προσδιορίσουμε
το μέγεθος του δακτύλιού της.

Παρότι θα μου άρεσε να συνεχίσω
με λεπτομέρειες του αλγορίθμου,

ευτυχώς για εσάς, δεν έχω τον χρόνο.

Αλλά θα ήθελα να σας δώσω μια σύντομη ιδέα

του πώς ορίζουμε με τι
μοιάζει το Σύμπαν μας

και πώς κάνουμε ανακατασκευή
και επαλήθευση των αποτελεσμάτων μας.

Από τη στιγμή που υπάρχει
άπειρος αριθμός πιθανών εικόνων

που εξηγούν απόλυτα τις
τηλεσκοπικές μας μετρήσεις,

πρέπει με κάποιο τρόπο
να επιλέξουμε μεταξύ τους.

Αυτό γίνεται με την αξιολόγηση των εικόνων

βάσει του πόσο πιθανό είναι
να μοιάζει με μαύρη τρύπα

και επιλέγεται η πιο πιθανή.

Τι ακριβώς εννοώ;

Ας πούμε ότι προσπαθούμε
να φτιάξουμε ένα πρότυπο

που θα αξιολογεί τη πιθανότητα
εμφάνισης κάποιας εικόνας στο Facebook.

Θα θέλαμε αυτό να μας λέει

ότι είναι απίθανο κάποιος
να βάλει την αριστερή εικόνα

και σχεδόν σίγουρο κάποιος
να βάλει τη δεξιά.

Η μεσαία εικόνα είναι θολή,

και παρότι μπορεί
να τη δούμε στο Facebook

σε σχέση με την αριστερή,

είναι λιγότερο πιθανό να τη δούμε
σε σχέση με τη δεξιά.

Αλλά, όταν πρόκειται
για εικόνες μαύρης τρύπας,

μας τίθεται ένα πραγματικό αίνιγμα:
δεν έχουμε δει ποτέ μαύρη τρύπα.

Τώρα, ποια είναι η πιθανή
εικόνα μιας μαύρης τρύπας

και τι πρέπει να υποθέσουμε
για τη δομή των μαύρων τρυπών;

Θα μπορούσαμε να κάνουμε χρήση
εικόνων προσομοιώσεων,

όπως την εικόνα από το «Interstellar»,

αλλά εάν το κάναμε, θα δημιουργούσε
σωρεία σοβαρών προβλημάτων.

Τι θα γινόταν εάν οι θεωρίες
του Αϊνστάιν δεν ίσχυαν;

Θα θέλαμε ακόμα να ανακατασκευάσουμε
μία ακριβή εικόνα του τι συμβαίνει.

Εάν εισάγουμε πολλές εξισώσεις
του Αϊνστάιν στον αλγόριθμο,

θα καταλήξουμε να δούμε
αυτό που περιμένουμε.

Με άλλα λόγια, θέλουμε
να αφήσουμε ανοικτό το ενδεχόμενο

να υπάρχει ένας τεράστιος ελέφαντας
στο κέντρο του Γαλαξία μας.

(Γέλια)

Διαφορετικοί τύποι εικόνων
έχουν πολύ διακριτά χαρακτηριστικά.

Μπορούμε να διακρίνουμε τις διαφορές
μεταξύ εικόνων εξομοίωσης μαύρης τρύπας

και εικόνων που παίρνουμε
καθημερινά εδώ στη Γη.

Πρέπει να μπορεί ο αλγόριθμος
να ξεχωρίζει ποιες είναι τι

χωρίς να επιβάλλονται πολλά
χαρακτηριστικά ενός τύπου εικόνας.

Ένας τρόπος για αυτό

είναι η επιβολή χαρακτηριστικών
από διάφορα είδη εικόνων

και βλέποντας πώς ο τύπος της εικόνας
επηρεάζει τις ανακατασκευές μας.

Εάν οι τύποι όλων των εικόνων
παράγουν μια παρόμοια εικόνα,

τότε μπορούμε να είμαστε πιο σίγουροι

ότι οι υποθέσεις που κάνουμε
δεν επηρεάζουν και τόσο την εικόνα.

Είναι σαν να δίνεις την ίδια περιγραφή

σε τρεις διαφορετικούς
σκιτσογράφους ανά τον κόσμο.

Εάν όλοι φτιάξουν ένα πρόσωπο
πολύ παρόμοιο εμφανισιακά,

τότε μπορούμε να είμαστε πιο σίγουροι

ότι δεν επιβάλλουν τις δικές τους
πολιτισμικές προκαταλήψεις στα σχέδια.

Ένας άλλος τρόπος επιβολής
διαφορετικών χαρακτηριστικών εικόνας

είναι η χρήση μερών
από πραγματικές εικόνες.

Παίρνουμε μια μεγάλη συλλογή από εικόνες

και τις χωρίζουμε σε μικρά «μπαλώματα».

Έτσι μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε
σαν τα κομμάτια ενός παζλ.

Χρησιμοποιούμε κοινότυπα κομμάτια
παζλ για να φτιάξουμε μια εικόνα

που ταιριάζει
με τις τηλεσκοπικές μας μετρήσεις.

Διαφορετικοί τύποι εικόνων έχουν πολλά
διακριτά σύνολα κομματιών παζλ.

Τι συμβαίνει εάν πάρουμε τα ίδια δεδομένα,

αλλά κάνουμε χρήση διαφορετικών
κομματιών για την ανακατασκευή;

Ας αρχίσουμε με την εξομοίωση
κομματιών παζλ της μαύρης τρύπας.

Εντάξει, αυτό φαίνεται λογικό.

Αυτό μοιάζει όπως περιμένουμε
να μοιάζει μια μαύρη τρύπα.

Αλλά αυτό παράχθηκε

επειδή το τροφοδοτήσαμε με κομμάτια
εικόνων εξομοίωσης μαύρης τρύπας;

Ας δοκιμάσουμε ένα άλλο
σύνολο κομματιών παζλ

από αστρονομικά αντικείμενα,
όχι όμως μαύρης τρύπας.

Ωραία, παίρνουμε μια παρόμοια εικόνα.

Τι γίνεται με κομμάτια
καθημερινών εικόνων,

όπως αυτές που παίρνετε
με την προσωπική σας μηχανή;

Υπέροχα, παίρνουμε την ίδια εικόνα.

Όταν πάρουμε την ίδια εικόνα
από όλα τα διαφορετικά σύνολα παζλ,

τότε μπορούμε να είμαστε πιο σίγουροι

ότι οι υποθέσεις που κάνουμε
για την εικόνα

δεν επηρεάζουν και τόσο την τελική εικόνα.

Κάτι άλλο που μπορούμε να κάνουμε
είναι να πάρουμε το ίδιο σύνολο,

όπως αυτό που προκύπτει
από καθημερινές εικόνες,

για να ανακατασκευάσουμε
πολλά διαφορετικά είδη εικόνων.

Έτσι, στις προσομοιώσεις μας,

προσποιούμαστε ότι η μαύρη τρύπα
μοιάζει με άλλα αστρονομικά αντικείμενα,

όπως καθημερινές εικόνες σαν
τον ελέφαντα στο κέντρο του Γαλαξία μας.

Όταν τα αποτελέσματα των αλγορίθμων μας
στην κάτω σειρά, μοιάζουν

με τα πραγματικά στην πάνω σειρά,

τότε μπορούμε να είμαστε
πιο σίγουροι για τους αλγόριθμους.

Θέλω πραγματικά να τονίσω εδώ

ότι όλες αυτές οι εικόνες δημιουργήθηκαν

από την ένωση μικρών κομματιών
από καθημερινές φωτογραφίες,

σαν αυτές που παίρνετε
με την προσωπική σας μηχανή.

Έτσι, μια εικόνα μιας μαύρης τρύπας
που δεν έχουμε ποτέ δει

μπορεί τελικά να δημιουργηθεί
από την ένωση κοινών εικόνων

ανθρώπων, κτιρίων, δένδρων,
γατιών και σκυλιών.

Ιδέες απεικόνισης, όπως αυτή,
θα μας επιτρέψουν

να πάρουμε τις πρώτες μας
εικόνες μιας μαύρης τρύπας

και να επαληθεύσουμε τις διάσημες θεωρίες

πάνω στις οποίες βασίζονται
καθημερινά οι επιστήμονες.

Αλλά φυσικά, δεν θα ήταν εφικτό
να λειτουργήσουν

αυτές οι ιδέες απεικόνισης χωρίς
την απίστευτη ερευνητική ομάδα

με την οποία έχω την τιμή να συνεργάζομαι.

Εξακολουθεί να με εκπλήσσει

το ότι ενώ ξεκίνησα χωρίς
υπόβαθρο στην αστροφυσική,

αυτό που έχουμε επιτύχει
μέσα από αυτή τη μοναδική συνεργασία

θα μπορούσε να οδηγήσει στις πρώτες
εικόνες μιας μαύρης τρύπας.

Αλλά μεγάλα έργα, όπως
το Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων

επιτυγχάνουν λόγω της
διεπιστημονικής εμπειρογνωμοσύνης

που φέρνουν στο τραπέζι διαφορετικά άτομα.

Είμαστε ένα χωνευτήρι αστρονόμων,

φυσικών, μαθηματικών και μηχανικών.

Αυτό θα κάνει σύντομα δυνατή

την επίτευξη αυτού που κάποτε
φαινόταν αδύνατο.

Θα ήθελα να σας ενθαρρύνω
όλους να βγείτε έξω

και να βοηθήσετε στη διεύρυνση
των ορίων της επιστήμης,

ακόμα και εάν αρχικά σας φανεί
μυστηριώδης όπως μια μαύρη τρύπα.

Σας ευχαριστώ.

(Χειροκρότημα)