Майже кожне зображення чорної діри, яке ми бачили, не є фотографією. Це лише приблизна ілюстрація того, який вони можуть мати вигляд, заснована на математичній теорії та досить недавніх доказах існування чорних дір.
Все змінилося 2019 року, коли група вчених об’єднала кілька важливих моментів: відпрацьовану техніку астрономії, чудову глобальну співпрацю та досягнення у галузі зберігання й обчислення даних для створення першого в історії зображення чорної діри.
Лише кілька місяців тому ця ж команда випустила довгоочікуване друге зображення чорної діри у центрі нашої Галактики. Ці два зображення, настільки ж розмиті, але не менш важливі, є частиною золотого віку «нової астрономії». Це століття, коли закон Мура, машинне навчання і, зрештою, квантові комп’ютери можуть відкрити один із найдивніших і найзагадковіших об’єктів Всесвіту.
Чорні діри: квапливі двигуни нашого Всесвіту
Таємниці чорних дір дуже глибокі. Подібно до нескінченної гравітаційної криниці, вони являють собою область простору-часу, де так багато маси згущується в такий крихітний простір, що гравітація долає всі відомі сили. Вона настільки сильна, що навіть світло не може вирватися назовні. Настільки потужна, що може розірвати зорі на частини. Настільки химерна, що в ній час може різко зупинитися.
Важко уявити концепцію чорних дір. Об’єкти нескінченно щільні, наче стискають масу Землі до розмірів монети. Навіть Ейнштейн, чия загальна теорія відносності передбачила існування чорних дір, вважав цю ідею настільки радикальною та неймовірною, що до кінця життя мав великі сумніви. Проте через 100 років після новаторської теорії Ейнштейна астрономи підрахували, що у видному спектрі Всесвіту існує понад 40 квінтильйонів (40 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) чорних дір.
Космічна фотографія пройшла довгий шлях, але чорні діри невидимі для людського ока. Оскільки все втягується в їхнє гравітаційне поле, вони не випромінюють нічого, що могли б виявити наші прилади. Проте вчені ніколи не бувають надто вражені неможливим. За багато років астрофізики та математики знайшли гідні Нобелівської премії способи виявлення чорних дір, вивчаючи, як вони керують орбітами зір навколо них. Наприклад, чорна діра в центрі нашої Галактики змушує світила поводитися так, як бактерії в чашці Петрі.
Є й інші підказки визначення місцеперебування чорної діри. Весь гарячий газ і зоряний пил біля чорних дір намагаються втиснутися у щільну точку, створюють сильне тертя. І коли матерія турбулентно треться, вона нагрівається до мільярдів градусів і світиться. Парадоксально, але чорні діри є одними з найсвітліших об’єктів на небі. Вчені розрахували, що можна побачити жахливий кордон, де фотони все ще обертаються навколо чорної діри, та точку, де ніщо не може залишити її — горизонт подій.
Але це теорія. Насправді чорну діру ще ніхто не бачив. Справжня проблема з візуалізацією чорних дір полягає не тільки в їхній чорноті чи світінні. Річ у тім, що вони дуже далеко.
Телескоп розміром із Землю
Найближча надмасивна чорна діра — це Стрілець А* (Sgr A*), що розташована в галактичному центрі Чумацького Шляху. Відстань до неї становить 26 000 світлових років, тому космічному зонду, як «Вояджер-1», знадобиться понад 400 млн років, щоб дістатися до неї.
Існують також гігантські чорні діри, наприклад, у галактиці Messier 87. Маючи розміри 24 млрд миль у поперечнику та масу в шість з половиною мільярдів разів більшу за сонячну, вона є однією з найбільших відомих чорних дір.
Однак дивитися на будь-який із цих об’єктів у телескоп — все одно, що намагатися сфотографувати пончик на Місяці.
Збільшувальна сила телескопа обмежена розміром його антени. Щоб отримати досить високу роздільну здатність і побачити, чи цей пончик глазурований, чи наповнений заварним кремом, необхідний телескоп розміром із Землю. Хоча це станеться не скоро, один учений вигадав, як це зробити.
Шепард Доулман — астрофізик із Центру астрофізики Гарвардського університету та Смітсонівського інституту. Він вивчав метод радіоастрономії, званий інтерферометрією з дуже довгою базою (VLBI), коли кілька телескопів, розташованих на відстані тисяч миль один від одного, одночасно спостерігають за тим самим небесним об’єктом, імітуючи роботу телескопа на відстані, що дорівнює відстані між ними.
Щоб створити телескоп розміром із Землю, Доулману потрібно було розробити безліч телескопів. Йому довелося спроєктувати, побудувати та встановити нове обладнання в найдорожчих телескопах світу. Йому знадобився атомний годинник, щоб синхронізувати його з точністю до мільярдної частини секунди. Крім того, йому потрібно було об’єднати десятки вчених, інженерів та інститутів для співпраці над проєктом із фантастичним, але неправдоподібним результатом. На це пішло більш ніж 10 років, але Доулман та сотні вчених, які приєдналися до проєкту, впоралися із завданням.
Протягом кількох ночей у 2017 році вісім телескопів працювали в ідеальній синхронізації, щоб зафіксувати електромагнітні хвилі навколо чорної діри. Вони використовували постійно зростаючі швидкості зберігання, обробки та передачі даних, щоб розширити чутливість телескопа до безпрецедентного дозволу та створити один із найбільших наборів даних, що коли-небудь були зареєстровані за час астрономічних спостережень.
Ще кілька років пішло на створення інструментів та алгоритмів, здатних об’єднати та синтезувати зображення з 5 петабайт даних та пів тонни жорстких дисків. Не маючи попередніх або наявних даних, на які можна було б послатися, команда мала переконатися в тому, що зображення не буде спотворене людською упередженістю.
10 квітня 2019 року Доулман вийшов на сцену і вперше показав світові зображення чорної діри. «Ми побачили те, що вважали невидимим», — сказав він.
Наступного дня це зображення було на першій сторінці майже кожної газети. Сенсаційна віха в історії людства та питання: що далі?
Наступне покоління фотографій чорних дір
Люди мають одну фантастичну рису: незалежно від того, наскільки вражаючим був прорив чи наскільки неможливим щось здавалося всього секунду тому, це одразу ж сприймається як сходинка для наступної великої події. Для Доулмана було зрозуміло, що цей знімок — лише початок.
Щоб створити зображення більш високої роздільної здатності та перший фільм про чорну діру, вже реалізується проєкт наступного покоління — EHT. У його межах планується залучити більше телескопів, зібрати нові довжини хвиль і використовувати криву закону Мура для збирання більш детальних даних, ніж будь-коли раніше.
За словами Камалджіта Сінгха, технолога компанії Western Digital, в межах проєкту оцінюється один із найновіших корпусів для флеш-накопичувачів компанії. Сервер розміром з валізу, оснащений швидкісними накопичувачами, може збільшити сукупну здатність збору даних до половини терабіта даних щосекунди. «Це у 8 разів більше за те, що використовувалося у проєкті всього кілька років тому», — сказав він.
Нещодавно чорні діри були предметом суперечки. Тепер вони стали предметом одержимості. Тільки минулого місяця вчені оголосили про відкриття мандрівної чорної діри, відповіли на загадку, як чорні діри утворилися в ранньому Всесвіті, та виявили чорну діру, що швидко зростає (поглинає еквівалент маси Землі кожну секунду).
Прискорення прогресу в технологіях зберігання, передачі та обробки даних поряд з неймовірними успіхами космічного телескопа James Webb і новою ерою малих супутників озброює вчених новими інструментами.
Таємниці, зрештою, є остаточним закликом до дії. І хоча ми досі не знаємо, що міститься всередині чорної діри, технології наближають нас до цього як ніколи раніше.
Раніше ми повідомляли про те, як астрономи засумнівалися у правдивості першого фото чорної діри.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
