Игорь
я могу поступать правильно
Если не я, то кто-то другой. Поэтому, лучше я =)
Игорь Зубов
Все записи
текст

Телескоп горизонта событий

Первым телескопом можно считать подзорную трубу, которую Галилео Галилей направил не на горизонт, а в небо. Столетия спустя появились стационарные оптические телескопы, еще позже – радиотелескопы размером с девятиэтажки. Когда ученым надоело мелочиться, они решили использовать всю территорию Земли и объединили несколько радиотелескопов в один массив, с помощью которого получают координаты и угловые размеры далеких астрономических объектов. Одну из таких сетей назвали Телескопом Горизонта Событий. Галилей оценил бы эту иронию – телескоп ведь смотрит на горизонт.
Телескоп горизонта событий

Нужно больше площади

До недавнего времени никто не мог похвастаться тем, что знает, как выглядит черная дыра. Да, мы видели их в «Интерстелларе» и других научно-фантастических фильмах, но обычно это работа графических дизайнеров, пусть в некоторых случаях и подкрепленная научной основой. Парадоксально, что слово «фотография» буквально означает «запись света», а согласно теории относительности Эйнштейна черная дыра – это сверхтяжелый объект, из гравитационного поля которого ничто не может вырваться, даже свет. Тот порог, до которого свет может избежать затягивания в черную дыру, а после которого – уже нет, и называется горизонтом событий. В 2012 году известный физик Стивен Хокинг поставил под сомнение существование горизонта событий, предложив переформулировать термин в «видимый горизонт». По мнению Хокинга, подобная сфера не поглощает материю, информацию и свет, а только временно удерживает их, потом «выбрасывая» в космос в искаженном виде. Обратное противоречило бы законам квантовой физики. Но человечество, тем не менее, твердо решило сфотографировать то, что свет не излучает, а, наоборот, поглощает. Еще и техникой с существенными недостатками.


Комплекс радиотелескопов ALMA в пустыне Атакама. Фото: ALMA (ESO/NAOJ/ NRAO) / W. Garnier (ALMA)

Рассмотреть черную дыру – давняя мечта астрофизиков. Подобная возможность дала бы человечеству материал для изучения общей теории относительности в режиме сильного поля, прояснила бы научное положение горизонта событий и фундаментальную физику черных дыр, самых загадочных объектов во Вселенной, чья мистическая природа давно будоражит умы мечтателей и исследователей. В космических масштабах черные дыры считаются объектами не очень большими, но находятся они от нас в миллионах световых лет. Например, черная дыра Стрелец А* (Sagittarius A*) больше, чем вся наша Солнечная система, но из-за расстояния, на котором она находится, наши наблюдения за ней похожи на попытки рассмотреть апельсин на поверхности Луны. Самым большим объектом в нашем распоряжении пока остается собственная планета, поэтому работать пришлось с ней. Ученые объединили восемь радиотелескопов, расположенных в разных местах, от Северной Америки до Испании, в один большой Телескоп Горизонта Событий (Event Horizon Telescope). Директором ТГС стал доктор Шепард Доэлман (Sheperd Doeleman) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Всего в создании этого грандиозного проекта участвовало около 200 человек из 13 университетов и исследовательских центров: Национальной Астрономической Обсерватории Японии, Массачусетского Технологического института, Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне и другие.


Стрелец A*. Изображение, сделанное обсерваторией NASA. Эллипсами отмечены световые эха. Фото: NASA, www.chandra.harvard.edu

Все телескопы находятся на возвышенностях и в регионах с очень низкой влажностью: ALMA (The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) и APEX (Atacama Pathfinder Experiment) – в пустыне Атакама в Чили на высоте 5000 м, SMT (The Submillimeter Telescope) – в американском штате Аризона на высоте 3000 м, IRAM 30-meter – в Сьерра Невада в Испании на высоте 2850 м, JCMT (James Clerk Maxwell Telescope) и SMA (The Submillimeter Array) – на высоте 4100 м на Гавайях, SPT (South Pole Telescope) – в Антарктиде на высоте 2800 м, и LMT (The Large Millimeter Telescope) – в Мексике на высоте 4000 м. Расположение телескопов принципиально, потому что облака могут помешать приему сигналов. Так у нас появился гигантский механизм, который может из Парижа разглядеть блоху на загривке дворняги во Владивостоке. Его четкость в 2000 раз выше, чем на снимках, сделанных космическим телескопом «Хаббл». Но для чего это нам? Целью проекта стали не какие-то условные черные дыры, а два вполне конкретных объекта: черная дыра в центре эллиптической галактики М87 и Sgr A в центре Млечного Пути. Именно фотография первой из них потрясла мир в апреле 2019 года, когда люди по всему миру читали в новостях одно и то же: «Мир получил первый в истории снимок черной дыры». И снимок этот сделан Телескопом Горизонта Событий.


Собрать пазл без миллиона деталей

Правда, наша «подзорная труба» не идеальна и дает картинку только из тех мест, где расположены части Телескопа Горизонта Событий, а он не покрывает всю планету. Этот недостаток отчасти компенсирует вращение Земли: в момент наблюдения те кусочки, которые видят радиотелескопы, тоже движутся, и в результате получаются не точки наблюдения, а линии.

Основываясь на данных с таким количеством белых пятен, трудно сделать однозначные выводы, поэтому был разработан специальный алгоритм, который может достроить изображение, – CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors). Алгоритм, разработанный ученой Кэти Боуман (Katie Bouman), собирает изображение из маленьких частей, как пазл, но пользуется ради научной достоверности тремя наборами «подсказок»: из смоделированных черных дыр, астрономических изображений и повседневных фотографий, как если бы вы дали одинаковое техническое задание трем разным иллюстраторам, а потом сравнили результат. Как на смоделированной черной дыре, так и на других возможных картинках алгоритм получает идентичные изображения.


1) «Кэти Боуман в тот момент, когда впервые получила изображение черной дыры». Скриншот из «Твиттера» Массачусетского технологического института. 2) Кэти и все жесткие диски со снимками черной дыры, сделанными ТГС. Фото: Paul Coxon
Новая эра не за горизонтом

За одну секунду наблюдений Телескопа Горизонта Событий записывается примерно 35 Гб информации. В 2018 году было записано 3500 ТБ данных, большая часть которых посвящена одному объекту – черной дыре из галактики M87. Чтобы отправить этот массив информации в вычислительные лаборатории, решили использовать не Интернет, а обычную почту и множество жестких дисков, потому что с помощью Интернета за сутки получится передать только 1 ТБ. Данные послали в Массачусетский Технологический институт и Радиоастрономический институт Макса Планка, чтобы получить два независимых результата. В апреле 2019 года человечеству показали первую живую фотографию черной дыры, которая находится в 55 млн световых лет от нас. Презентация состоялась одновременно в нескольких городах: в Брюсселе, Вашингтоне, Сантьяго-де-Чили, Тайбэе, Токио и Шанхае.


Первая презентация изображения черной дыры в галактике M87. Фото: www.ted.com

Несмотря на то что черная дыра в галактике Messier 87 находилась в 55 млн световых лет от нас, а Sagittarius A* – всего лишь в 25 тыс. световых лет, ученые из проекта Телескопа Горизонта Событий выбрали первую, поскольку Sagittarius A* оказалась окружена газовым облаком, что усложнило наблюдение. Messier 87 – более чистый объект. Кроме этих черных дыр в списке наблюдений – южная галактика Centaurus A, квазар OJ 287, галактика NGC 1052 и квазар 3C 279. В фоновом режиме ТГС наблюдает и за ними.

Дальше – больше. Ученые хотят использовать Телескоп Горизонта Событий, чтобы заснять на видео, как черная дыра Sagittarius A* в центре нашей галактики затягивает в себя то, что находится вокруг. На это делаются большие ставки, ведь живого видео никто никогда не делал. Как, впрочем, и фотографий черной дыры до недавнего времени. Вообще работы у Телескопа Горизонта Событий хватит на несколько лет вперед. В октябре группа ученых из Университета Огайо открыла особый вид черных дыр – сверхмалые, масса которых всего в 3,3 раза больше Солнца. А ведь раньше все были убеждены, что минимальная масса черной дыры не может быть меньше пяти солнц, потому что иначе образовалась бы нейтронная звезда. Предстоит снова скорректировать наши представления о мире! Кажется, у человечества начался сезон черных дыр.

Фото: NRAO/AUI/NSF

Наука

Машины и Механизмы
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

Актуальное
Петросити
Поэма здоровья
Биосфера
Бесконтактная примерка обуви
OK OK OK OK OK OK OK