Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру
Первым делом изучат объект Стрелец А* (4,31 млн солнечных масс, предположительно, чёрная дыра) в центре нашей галактики
Исследователи из лаборатории информатики и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и обсерватории Haystack разработали новый алгоритм, который поможет впервые в истории получить настоящее изображение чёрной дыры. Точнее, той области пространства-времени, в центре которой находится сама чёрная дыра, невидимая по определению.
Конечно, в интернете полно картинок чёрных дыр, и в научно-фантастических фильмах и сериалах мы видели чёрные дыры сотни раз. Но всё это плод фантазии художников, дизайнеров и самих учёных, которые только предполагают, как может выглядеть окружение горизонта событий.
Если расчёты американских радиофизиков верны, и если их усилия поддержат коллеги из других стран, то скоро мы узнаем правду.
«Чёрная дыра находится очень, очень далеко, и это очень компактный объект, — объясняет Кэти Боуман (Katie Bouman), ведущий автор научной работы и аспирантка Массачусетского технологического института. — [Сфотографировать чёрную дыру в центре галактики Млечный Путь] — это как заснять грейпфрут на поверхности Луны, но только с помощью радиотелескопа».
Чёрная дыра в центре нашей галактики находится на расстоянии 26 000 световых лет, она окружена радиоизлучающим газовым облаком диаметром около 1,8 парсек. При этом диаметр самой чёрной дыры оценивается всего в 44 млн км, что сравнимо с диаметром орбиты Меркурия, самой близкой к Солнцу планеты Солнечной системы. Чтобы детектировать настолько далёкий и крошечный объект, требуется телескоп диаметром 10 000 километров. Построить его весьма затруднительно, ведь у Земли диаметр всего 12 742 км.
Поскольку строительство телескопа размером с Землю — не вариант, то пришлось искать другое решение. Учёные разработали алгоритм, который объединяет в единое целое данные с радиотелескопов по всей планете, чтобы отфильтровать шум и построить синтезированное изображение. Проект получил название Event Horizon Telescope: Телескоп горизонта событий.
«У радиоволн масса преимуществ, — говорит Боуман. — Как радиоизлучение проникает сквозь стены, так оно проходит сквозь облака галактической пыли. Мы бы никогда не смогли рассмотреть центр нашей галактики в видимом диапазоне, потому что между нами находится слишком много всего».
Расположение Солнечной системы (в центре жёлтой точки) относительно центра галактики, где расположена сверхмассивная чёрная дыра
Впрочем, из преимуществ радиотелескопов вытекают их недостатки. Из-за необходимости регистрировать очень длинные волны размер антенны должен быть гигантским. Сейчас у самого большого радиотелескопа с одной антенной на Земле диаметр антенны 304 метра. Поэтому для практических целей астрофизики используют радиоинферометры — инструмент для радиоастрономических наблюдений с высоким угловым разрешением, который состоит минимум из двух антенн, разнесённых на расстоянии и связанных между собой кабельной линией связи.
Принцип работы
Если взять две антенны, расположенных на расстоянии d (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры редукции можно будет восстановить информацию об источнике с эффективным разрешением
. Такая процедура редукции называется апертурным синтезом.
Фактически, Телескоп горизонта событий и представляет собой такой гигантский радиоинтерферометр.
Боуман с коллегами уже заручились поддержкой шести обсерваторий в разных уголках планеты, которые согласились участвовать в проекте Event Horizon Telescope. В ближайшие недели ожидается подтверждение участия от других обсерваторий.
По плану, сначала радиоинтерферометр испытают на объекте Стрелец А — комплексном радиоисточнике, расположенном в центре нашей галактики. В его состав входят останки сверхновой (Стрелец А Восток), комплекс из трёх газопылевых облаков (Стрелец А Запад) и самое интересное — Стрелец А*, предположительно сверхмассивная чёрная дыра. Она излучает в инфракрасном, рентгеновском и других диапазонах.
Данные от этого объекта будут отфильтрованы от шума и использованы для генерации синтетического изображения чёрной дыры и окружающего пространства.
Разработанный радиофизиками алгоритм для синтеза данных радиотелескопов в одно изображение называется CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors). После тренировки на Стрельце А* его предполагается использовать для наблюдения других больших и маленьких чёрных дыр в разных регионах нашей галактики, а также за её пределами.
Сегодня чёрные дыры регистрируются обсерваториями с помощью компьютерного сканирования, которое записывает яркие вспышки света, например, при поглощении звезды, из которой чёрная дыра «высасывает» плазму.
Полученные координаты будут использовать для направления радиоинтерферометра Event Horizon Telescope и обучения алгоритма CHIRP методами, которые сейчас используются в алгоритмах машинного зрения. Со временем программа сумеет самостоятельно обнаруживать такие паттерны.
Научная работа группы исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и обсерватории Haystack с подробностями разработанного алгоритма будет представлена 27 июня 2016 года на Конференции по компьютерному зрению и распознаванию образов (Conference on Computer Vision and Pattern Recognition) в Лас-Вегасе. После этого другие учёные получат возможность проверить расчёты американских коллег и, если всё правильно, то первое изображение чёрной дыры мы получим примерно через год.
Ждём с нетерпением.
