10 апреля 2019 года одновременно в Брюсселе, Вашингтоне, Сантьяго-де-Чили, Тайбэе, Токио и Шанхае прошла пресс-конференция, посвящённая первой «фотографии» чёрной дыры. Почему это настолько важно, что послушать учёных-астрофизиков пришли аж в шести точках планеты?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(44). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Это область пространства-времени, притяжение которой ­на­с­только велико, что покинуть её можно только со сверхсветовой скоростью, то есть нельзя. Граница чёрной дыры называется горизонтом событий, потому что, согласно представлениям современной физики, дальше событий нет. А точнее, мы не можем их пока описать.

О существовании чёрных дыр учёные догадывались задолго до создания теории относительности. Первым о них заговорил в 1783 году Джон Мичелл — конечно, он руководствовался законами ньютоновской физики. В 1796‑м свою теорию «гравитационных могил» выдвинул Пьер Лаплас, также основываясь на ньютоновских законах. И только после того как Эйнштейн сформулировал основы общей теории относительности, Карл Шварцшильд рассчитал точную формулу гравитационного поля для бесконечно малого тела.

Оказалось, что этот объект окружают две сферы. В первой вечно циркулируют заложники ситуации — фотоны. Во второй, более близкой к объекту, происходят удивительные изменения: пересекая радиус этой сферы (радиус Шварцшильда), любой фотон или материальный объект попадает внутрь чёрной дыры и уже никогда её не покидает. То есть чёрная дыра не излучает, а телескопы не могут «увидеть» неизлучающие объекты.

Был создан проект «Горизонт событий» — сеть из 8 телескопов по всему миру. Объект наблюдения — чёрная дыра в центре галактики М87 — находится так далеко, что, если бы её изучали с помощью одного телескопа, он должен был бы быть размером с Землю.

Радиоволны — сигналы, которые фиксируют телескопы, — проходят сквозь стены домов, донося музыку и голоса до наших приёмников и телефонов. Точно так же они могут пролететь через весь Млечный Путь. Проблема в том, что у них очень большая амплитуда — даже картинка Луны будет размытой. Чем больше амплитуда излучения, тем больше слепых пятен в полученном изображении. Восемь телескопов проекта «Горизонт событий» вместе образуют детектор размером с Землю и ведут непрерывную «съёмку» в течение нескольких дней. Каждый прибор снимает как будто с нескольких точек (Земля ведь вращается). Но даже этого недостаточно, чтобы заполнить все слепые пятна. Нужен механизм, который сможет «догадаться», что же там изображено.

Группа под руководством аспирантки Массачусетского технологического института Кэти Боуман предложила алгоритм CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction). Он подходит для любой системы телескопов, использующих ­интерферометрию — метод, при котором два прибора ловят один сигнал и по разнице фаз определяют его источник.

Алгоритм Боуман использует не два, а три телескопа — чтобы исключить атмосферные помехи Земли. Но это не главное его преимущество. Другие технологии заполняют слепые пятна так, что восстановленная картинка соответствует формальной логике, но не здравому смыслу. Это как если бы, собирая пазл, мы получили правильную рамку, внутри которой все элементы перепутаны. Метод Боуман, напротив, позволяет так подобрать фото, чтобы они удовлетворяли и логике, и здравому смыслу. Поскольку никто не знает, как в реальности выглядит чёрная дыра, работа двигалась медленно: данные, полученные за четыре дня съёмок, обрабатывали больше года.

Алгоритм Боуман образно можно представить так. Обычный пазл — это совокупность точек. В нашем случае точки превращаются в конусы с одинаковыми диаметрами основания и разной высотой. Информация, собранная методом интерференции, идеально подгоняется под высоту этих конусов. Один телескоп поймал радиосигнал раньше — значит, его конус ниже. Другой позже — его конус выше. В итоге получается 3D-картинка.

Чтобы обработать такое количество данных, Боуман и её коллеги использовали алгоритмы машинного обу­чения. Они не сами подбирали высоту конусов — это делали суперкомпьютеры. Прежде чем анализировать данные телескопов, программу обучали. Для этого брали фото уже известных нам явлений и объектов астрофизики, размечали их на отдельные фрагменты, давали программе часть фрагментов от каждой картинки и учили восстанавливать исходное изображение. Группа создала огромную базу данных из компьютерных моделей и фотографий астрофизиков.

«Фото» чёрной дыры М87 — это начало. Изображение получилось размытым, но даже в таком виде оно подтверждает базовые постулаты со­в­ре­­менной физики. Впереди у учёных ты­сячи подобных фото, а в будущем и видео. И, как мы уже сказали, каждая но­вая картинка — это обучающий материал для алгоритма Боуман.