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.