Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы
Шрифт:
Путь до изображения, безупречного по научным меркам, все еще долог. В работе группы визуализации участвуют десятки коллег по всему миру. Их работа включает в себя много различных этапов. Есть большое число отличающихся друг от друга методов, которыми можно построить изображение. Здесь на сцену выходит Кэтрин Боуман – эксперт в области электронной обработки изображений, заинтересовавшаяся ею еще в старших классах школы. Окончив университет, Боуман сначала работала в MIT, а затем перешла в Гарвард. Она знает все о неоднозначности обработки изображений и о том, как лучше обойти самые опасные ловушки. Кэтрин регулярно проводит для EHT проверочные испытания РСДБ-экспертов и алгоритмов. Участники этих испытаний получают данные моделирования. Некоторые данные выглядят так, как действительно может выглядеть изображение черной дыры, на других виден джет, а некоторые напоминают снежную бабу в шапке, шарфе и с носом из морковки. Это нечто вроде своеобразного конкурса красоты: команды должны представить реконструированное изображение, не зная, что скрывается за данными. Есть даже подобие жюри, оценивающего результаты работы команд. Один раз в него входил
До сих пор команда визуализации работала только с данными моделирования и данными калибровочной группы. Но теперь все серьезно. Теперь им передали измеренные и настроенные нотные записи из симфоний M87 и Sgr A*. Напряжение невероятное: на что будет похожа наша черная дыра? Мы чувствуем себя, как дети рождественским утром. Под елкой лежит несколько огромных подарков, и теперь их следует развернуть. Но это подарки особого рода: развернуть их можно только один раз. Второго раза не будет. В науке разворачивание – оценка данных – это тоже эксперимент. И тот факт, что оценку выполняют люди, может повлиять на результат.
Чтобы разворачивать подарок независимо друг от друга, группа оценки делится на четыре подгруппы [171] . Я со своими аспирантами Сарой, Майклом и Фриком Рулофсом в команде II. Нашу команду, распределенную по трем континентам, возглавляют Сара и японский коллега Казунори Акияма.
Чтобы обеспечить независимость результатов каждой из команд, всякое общение между подгруппами запрещено. И, естественно, никому не позволено демонстрировать полученные изображения кому-то вне EHT. Мы хотим быть абсолютно уверены, что утечек нет. Но, должен покаяться, я все же показываю изображения своей жене.
171
Первая команда – Боуман и группа Джонсона из Гарварда. Я с моими аспирантами Фриком Рулофсом, Майклом Янссеном и Сарой Иссаун во второй команде. Томас Кричбаум, Хосе Луис Гомес из Испании и их коллеги составляют третью команду, специализирующуюся на алгоритме CLEAN. В четвертой команде новая группа наших азиатских коллег под руководством Кэйити Асада.
Расписание у групп визуализации очень жесткое. Ночью, 6 июня 2018 года, данные измерений для M87 и Sgr A * переданы всем четырем командам. Все очень взволнованы. Аспиранты немедленно приступают к анализу данных. Сначала каждый из них работает над изображением, порученным именно ему (или ей). Я в это время опять нахожусь в Соединенных Штатах, на конференции Американского астрономического общества, где рассказываю о нашей лунной радиоантенне. Я стараюсь скрывать волнение и втихомолку поддерживаю связь с Фриком и остальными. Этой ночью по всему миру появились первые изображения черной дыры. Никто не знает, кто был первым, да это и неважно. Пока я сижу в самолете, летящем обратно в Германию, дело продолжает двигаться вперед. Во время полета из Денвера мое внутреннее напряжение становится почти невыносимым. На борту в развлекательной программе я обнаружил короткое обучающее видео с Кэтрин Боуман. “К тому моменту как я приземлюсь, это уже будет неактуально”, – тихонько улыбаясь, думаю я. Когда наконец самолет останавливается на взлетно-посадочной полосе во Франкфурте, я вытаскиваю из кармана смартфон, чтобы взглянуть на изображения, построенные моей группой. Долгожданный гость вот-вот появится.
Мое эмоциональное состояние напоминает состояние героя-любовника в конце душещипательного романа позапрошлого века. Изображение – моя далекая возлюбленная. Я ждал десятки лет, зная о ее любви только благодаря пылким письмам, которыми мы часто обменивались. Хотя я никогда не видел свою возлюбленную, у меня в голове сложился ее четкий образ. Это – долгожданная гостья. И она должна вот-вот появиться. Взгляд на первое изображение сравним с первым взглядом в лицо возлюбленной, когда открывается дверца подъехавшей кареты. К радости ожидания примешиваются страх и тревога. Не подвело ли меня воображение? Может, это только мои фантазии? Что если реальность окажется гораздо грубее и уродливее? Что если ее вид оставит меня холодным? Но карета уже остановилась… дверца распахнулась.
Стараясь унять легкую дрожь, я открыл присланный мне Фриком файл специального формата, который используют астрономы [172] . Я в Германии, в междугородном скоростном поезде; передо мной мой ноутбук. Оглядываюсь исподтишка: остальные пассажиры не обращают на меня ни малейшего внимания. Окошко на экране наконец открывается, и я вижу нечто серое и нечеткое. Увеличиваю изображение, подстраиваю контраст, выбираю свою любимую, самую яркую цветовую шкалу… и вижу ее. Незамкнутый круг? Лошадиная подкова? Нет, скорее это что-то вроде трех четвертей кольца. Ну разве она не красавица?!
172
FITS (Flexible Image Transport System) – гибкая система передачи изображений.
Я не могу оторваться, не могу налюбоваться. Она пленительно нова, но в то же время выглядит так привычно, как если бы мы знали друг друга давным-давно. С час я парю в облаках, а затем опять становлюсь скептиком. Это был только мимолетный взгляд. А какой она покажется мне завтра? И даже если мое первое впечатление подтвердится, надо еще очень многое сделать, чтобы установить отношения. Будут ли они долговременными? До свадьбы пока далеко.
Вскоре приходит
173
TED (аббревиатура от англ. technology, entertainment, design – технологии, развлечения, дизайн) – американский частный некоммерческий фонд, известный прежде всего своими ежегодными конференциями. Миссия конференции состоит в распространении уникальных идей; избранные лекции доступны на веб-сайте конференции. Видеозаписи выступлений публикуются на сайте TED.com и доступны бесплатно для просмотра и скачивания. – Прим. пер.
174
H. Falcke. How to Make the Invisible Visible (lecture, Tedxrwth Aachen, 2018). https://www.youtube.com/watch?v=ZheBi4e9xoM.
В конце июля в Бостоне в Гарвардском университете на чрезвычайно важном семинаре, посвященном визуализации [175] , собралось более пятидесяти коллег, представляющих все сообщество EHT. Цель семинара – показать свои изображения: сначала калибровочных источников, а затем и M87. Семинар проходит в середине летних каникул. Мы с женой отдыхаем на Балтике. Но у меня никак не получается полностью отключиться от дел: ожидая последних новостей, я целыми вечерами не могу оторваться от телефона. На изображениях остальных трех групп тоже видны кольца. Теперь они не вызывают удивления, но – чрезвычайно обнадеживают. Юношеская любовь, такая пылкая и такая загадочная, наконец представлена семье влюбленного и сразу признана своей.
175
Изображения, о которых шла речь на семинаре в Гарварде в 2017 году, можно посмотреть здесь: https://eventhorizontelescope.org/galleries/eht- imaging- workshop- october-2017.
Теперь члены ученого совета EHT должны принять решение, что делать дальше и публиковать ли изображение. В течение лета стало понятно, что обработать и проанализировать данные наблюдений Стрельца A* гораздо сложнее. Поэтому сейчас речь идет только о результатах, относящихся к галактике M87. “Давайте сначала разберемся с тем, что легче”, – предлагает мой уважаемый коллега и вице-президент научного совета Джефф Бауэр.
Массивный монстр в M87 идеально подходит для наших целей: даже если поток раскаленной плазмы движется вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, из-за ее невероятных размеров требуется несколько дней или даже недель, чтобы газ совершил полный оборот. Мы потратили около восьми часов, пытаясь сделать снимок черной дыры в M87 с помощью глобального телескопа. И все это время она, как отъевшаяся медведица во время зимней спячки, оставалась практически неподвижной. С другой стороны, радиоисточник Стрелец A* в центре Млечного Пути меньше M87 в тысячу раз. Это значит, что частота вращения горячего газа в тысячу раз больше и во время съемок его нельзя считать неподвижным: он ерзает и прыгает, как непоседливый двухлетний ребенок на собственном дне рождения. Каждая фотография с длинной выдержкой оказывается в той или иной степени размыта, и получить четкое изображение из данных наших измерений гораздо труднее.
После семинара в Гарварде работавшие вслепую подгруппы визуализации расформировываются. Теперь уже вся команда целиком начинает все с самого начала. Мы приблизительно понимаем, как выглядит радиоисточник M87. Настало время, когда компьютеры должны выявить самые лучшие из всех возможных изображений. “Помериться силами” предстоит трем хорошо зарекомендовавшим себя, проверенным алгоритмам [176] . Команды имитируют дополнительные РСДБ-данные, обманчиво похожие на реальные, но тем не менее служащие прообразом других изображений. Некоторые из них – кольца, некоторые – диски, а другие – просто две кляксы. Данные автоматически обрабатываются алгоритмами, и команда визуализации выдает тысячи изображений. На конечном этапе максимально точно подбираются значения параметров, одинаково хорошо воспроизводящих все смоделированные изображения, включая и те, где посередине нет тени. Если выбрать алгоритм, хорошо реконструирующий только кольца, то мы будем просто сами себя обманывать.
176
Есть два метода “регуляризованного максимального правдоподобия” (RML) – (eht-визуализация и SMILI) и алгоритм CLEAN.