Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы
Шрифт:
То же самое происходит, когда на объективе камеры есть пыль или поцарапано зеркало телескопа, с помощью которого мы смотрим на ночное небо: информация теряется, и зеркало не может выполнить преобразование Фурье полноценно. И все же мы не получим изображение с пустыми местами, на котором часть звезд отсутствует. Скорее оно просто станет не таким четким. Мы не замечаем, что нарушения, вызванные потерей информации, распределены по всему изображению. Каждая трещинка на зеркале равным образом влияет на изображения всех звезд. Однако с помощью компьютерного алгоритма можно выполнить расчет, убирающий большинство этих дефектов и тем самым очищающий изображение.
Именно по этой причине глобальный радиоинтерферометр не представляет собой гигантское отражающее зеркало, а состоит из большого числа связанных друг с другом маленьких телескопов; к тому же он не обязательно должен быть целостным. Он работает, даже если не покрывает всю поверхность планеты. Такой телескоп эквивалентен
Фурье-преобразование изображения можно сравнить с симфонией: изображение, которое вы видите, – это музыка, которую вы слышите; Фурье-преобразование изображения – партитура симфонии; радиоинтерферометр – измерительное устройство, записывающее музыку и преобразующее ее в отдельные ноты партитуры.
В любой момент времени каждая из комбинаций двух телескопов сети РСДБ измеряет ровно одну “ноту” изображения, которую рассчитывает коррелятор. Расстояния между парами телескопов – базы. Их можно сравнить со струнами арфы разной длины, ответственными за разные звуки. Только здесь все наоборот: струны не производят звуки, а скорее “слышат” их, и чем длиннее струна, тем выше улавливаемое ею “изображение-нота”. Возвращаясь к аналогии с симфонией: короткие базы слышат главным образом тимпаны и контрабас, а длинные – только флейты-пикколо и треугольники.
Если вы собираетесь выполнить Фурье-преобразование изображения, например, головы человека, низкие изображения-ноты позволят уловить только форму головы, но не детали лица. С другой стороны, различить четкие контуры рта и носа, но не головы вокруг них, позволят высокие изображения-ноты. Важно то, какова, исходя из положения источника радиоволн, длина виртуальных струн. Если смотреть на струну под некоторым углом, она кажется короче, чем когда смотришь на нее прямо сверху. Поскольку Земля вращается, прогнозируемая длина струны и ее направление меняются, и в течение нескольких часов ночных наблюдений телескоп настраивается.
Чтобы с помощью РСДБ-сети получить хорошее изображение, чувствительность каждого отдельного телескопа должна быть точно откалибрована относительно каждого другого телескопа и время запаздывания между телескопами должно быть скорректировано. Это эквивалентно сборке и тщательной полировке зеркала, состоящего из нескольких сегментов, или точной настройке пианино. Наша калибровочная группа [165] приступает к работе весной 2018 года. Ее задача – убедиться в правильности микширования, то есть провести перед началом нашего концерта настройку аппаратуры и звука, регулируя уровни громкости многочисленных различных инструментов, принимающих участие в исполнении большого музыкального произведения. Только тогда у нас появится возможность сыграть симфонию, только тогда из какофонии наших данных может возникнуть гармоничное изображение черной дыры.
165
В калибровочную группу входят Линди Блэкберн и Мацек Вельгус из Гарвардского университета, Чи-Кван Чан из Аризоны и мои аспиранты Сара Иссаун и Майкл Янссен, а также Ильза ван Беммель из Двингело.
Однажды в середине мая, когда я уже собираюсь уходить, у меня в кабинете появляется Сара Иссаун и говорит подозрительно бесстрастным тоном: “Вы уже видели наши первые калибровочные графики для Sgr A* и M87? По-моему, они должны вас заинтересовать”. Настроение у Сары по обыкновению приподнятое, но сегодня ее глаза еще и как-то плутовато поблескивают. Я с любопытством смотрю на экран. Отвожу взгляд… смотрю еще раз. И ошеломленно спрашиваю: “Вы все верите в то, что видите?” “Ну, это пока предварительные данные, и нам еще надо их тщательно перепроверить”, – отвечает она.
Калибровочная команда изучает состоящую из едва заметных точек кривую. Это – “звукоряд” для M87. Наподобие темброблока [166] старомодной Hi-Fi– стойки ди-джея, эта кривая показывает упорядоченную по частоте “громкость” каждой измеренной нами “ноты”. При смещении по ней в область “нот высокой частоты” изображения громкость монотонно снижается и постепенно доходит до нуля. Если бы изображение черной дыры было портретом, мы бы точно знали размер ее головы: чем высоких нот меньше, тем голова больше. Но затем кривая начинает опять подниматься вверх. Мы измерили и достаточно много громких высоких нот. У головы есть лицо, и мы его запечатлели! Самые высокие и самые важные для успеха нашего предприятия
166
Темброблок – компьютерная программа в составе высококлассных стереофонических комплексов (Hi-Fi), позволяющая избирательно корректировать амплитуду сигнала в зависимости от частотных характеристик. – Прим. пер.
Я облегченно вздыхаю, но все-таки продолжаю нервничать. “Это слишком хорошо, чтобы быть правдой!” Форму данной кривой знает каждый – она есть в любом учебнике по радиоастрономии [167] . “Боюсь сглазить, но кривая достаточно точно соответствует Фурье-преобразованию кольца. Если это действительно так, то объект M87 и впрямь настолько большой, насколько считают некоторые, и мы видим его тень”, – говорю я, испытывая почти благоговейный трепет. “Да, от шести до семи миллионов солнечных масс”, – улыбаясь, добавляет Сара.
167
A. R. Thompson, J. M. Moran, and G. W. Swenson. Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, 3rd Edition. // Springer Verlag. (2017).
“Хорошо, подождем и потом посмотрим”, – отвечаю я, сделав невозмутимое лицо. Тем не менее весь остаток дня я нервно расхаживаю по кабинету. Ощущение такое, будто вот-вот должен появиться очень важный гость, которого вы ждали десятки лет. Вскоре мы впервые его увидим. Благодарственная молитва звучит в комнате, где обычно рассуждают вполне трезво.
Поскольку РСДБ измеряет не все ноты, то с точки зрения теории это означает, что наши данные можно сопоставить с большим числом изображений. Если нет полной нотной записи симфонии, то теоретически по имеющимся нотам можно наиграть большое число мелодий, хотя, вероятно, большинство из них будет звучать очень нескладно.
Меня беспокоит один вопрос: как убедиться, что мы не обманываем сами себя? Именно мы должны стать своими самыми строгими критиками. К счастью, кажется, в нашей команде все ясно осознают эту опасность, и потому, анализируя данные, мы проверяем каждый шаг по крайней мере двумя независимыми методами.
Калибровочная группа обрабатывает данные очень старательно. Линди Блэкберн, специалист в подобного рода задачах, создает один конвейер данных [168] , а Майкл Янссен совместно с нашей группой – второй. Свой конвейер Майкл называет rPICARD [169] . Теперь остается только, подражая капитану из моего любимого сериала “Звездный путь”, скомандовать “Делай!”, чтобы начался полностью автоматический процесс обработки данных. Оба конвейера выдают сопоставимые результаты: инструмент настроен. Значит, откалиброванные данные можно использовать для построения изображения. Этой задачей займется большая, преданная своему делу группа специалистов по визуализации [170] , составленная из числа всех членов сообщества EHT.
168
Конвейер данных – набор соединенных последовательно элементов обработки данных, где выход одного элемента является входом следующего. – Прим. пер.
169
Конвейер Radboud для калибровки данных с высоким угловым разрешением: M. Janssen, et al. rPICARD: A Casa-Based Calibration Pipeline for VLBI Data. Calibration and Imaging of 7mm Vlba Observations of the Agn Jet in M 87. // Astronomy and Astrophysics 626 (2019): A75. https://ui.adsabs.harvard.edu /abs/2019A&A…626A..75J. Также в работе принимала участие команда из софтверной компании JIVE под руководством Марка Кеттениса и Ильзы ван Беммель, а также Кази Рыгл и Элизабетт Лиуццо из Болоньи.
170
Группу визуализации возглавляет молодежная команда под руководством Майкла Джонсона, Кэтрин Боуман и Казунори Акияма. В нее также входит и аспирант из Гарварда Эндрю Чейл. Что касается европейцев, то тут неоценимый вклад вносят Томас Кричбаум и Хосе Луис Гомес из Испании. Всего в этой группе задействовано более пятидесяти ученых. Среди них Сара Иссаун и Моника Мошчибродская, пробующая свои силы в обработке визуальной информации.