Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру

в 17:59, , рубрики: CHIRP, астрономия, машинное зрение, Млечный Путь, Научно-популярное, радиоинтерферометр, радиотелескоп, стрелец а*, черная дыра, метки:

Первым делом изучат объект Стрелец А* (4,31 млн солнечных масс, предположительно, чёрная дыра) в центре нашей галактики

Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру - 1

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».

Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру - 2
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 Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру - 3. 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.

Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру - 4

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.

Автор: alizar

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля