Ako odfotiť čiernu dieru

V srdci Mliečnej dráhy sa nachádza supermasívna čierna diera, ktorá berie energiu z točiaceho sa kruhu horúceho plynu a vtiahne do seba všetko, čo sa odváži priblížiť príliš blízko – dokonca aj svetlo. Nemôžeme ju vidieť, ale jej horizont udalostí vrhá tieň a fotka toho tieňa by mohla zodpovedať niektoré z dôležitých otázok o vesmíre. Vedci si mysleli, že je na to potrebný teleskop veľkosti Zeme – až kým neprišla Katie Bouman s tímom astonómov, ktorí vymysleli šikovnú alternatívu. V prednáške sa dozviete, ako môžeme vidieť v úplnej tme.

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)