Первая фотография черной дыры. Что за ней стоит?

hole-pic905-895x505-39073.jpg

На прошлой неделе ученые в рамках проекта Event Horizon Telescope (EHT) представили первую в истории фотографию черной дыры. Само по себе это событие уникально. Но не стоит забывать о тех достижениях, которые оказались за кулисами.

Проект EHT является совместной работой восьми различных обсерваторий, расположенных на четырех континентах. Данные были получены благодаря комбинации новейших сенсоров и атомных часов, сохранены на тысячах  жестких дисков и отправлены для обработки суперкомпьютерам Массачусетского технологического института, США и Боннского университета, Германия. Там данные проанализировали с помощью сложного алгоритма и свели воедино для создания одного изображения, представленного миру на прошлой неделе.

Для такой задачи требуется невероятная координация между сотнями людей. Как же все это происходило.

Модификации телескопа

Пожалуй, самым сложным аспектом проекта EHT был поиск алгоритма одновременной работы всех телескопов. Получить время для использования даже одного телескопа не так просто, а одновременное наблюдение через восемь требует невероятных по сложности переговоров.

По словам ведущего ученого EHT Шепарда С. Доулмана, с задачей удалось справиться благодаря эксперименту 2008 года, который продемонстрировал ее реальность. «Когда люди увидели, что наша технология работает, чего мы хотим добиться, они позволили нам использовать их оборудование», – рассказывает Доулман.

Однако возможность работы  – не единственное, что требовалось. Команда получила целую коллекцию телескопов, которые отличались оборудованием и возможностями. Им требовалась модернизация и модификация. «Некоторые из обсерваторий требовали индивидуальных модификаций для работы с нашим оборудованием», – рассказывает Доулман. «Мы должны были не только попросить доступ к телескопу, но и возможность модифицировать его определенным образом».

«Мы должны были убедить эти обсерватории в том, что наш эксперимент очень важен, ведь требовались чувствительные настройки», – подчеркивает он.

В некоторых случаях все было достаточно просто. Требовалось лишь установить дополнительное оборудование. В других обсерваториях требовались новые датчики, камеры и оборудование для обработки изображений. Чтобы в комплекс радиотелескопов Atacama Large Millimeter Array в Чили были внесены все необходимые обновления, потребовалось шесть лет и сотни часов переговоров.

«Нам пришлось потратить шесть лет на разработку системы электронного объединения сигналов от всех 60 антенн в одном месте», – рассказывает Доулман. «Мы рассказали сотрудникам ALMA, что хотим сделать, но они были против, аргументировав это излишней агрессивностью конструкции. Они подчеркнули, что будет затронуто слишком много компонентов телескопа. Нам пришлось найти более простой способ решения проблемы».

Огромное количество данных

Эти обновления были важны, потому что команда EHT собирала и использовала данные, полученные с их помощью. Черная дыра, которую наблюдала команда, находилась на расстоянии 53 миллионов световых лет и была невероятно крошечной точкой на небе. Ни один телескоп не смог бы в одиночку справиться с задачей. Поэтому команде требовалось объединить усилия всех использующихся телескопов.

Еще одна проблема заключалась в географическом положении обсерваторий. Их разделяли тысячи километров. Поэтому перед учеными встала следующая задача – собрать данные и отправить их в одно место без потерь.

В каждой из восьми обсерваторий команда EHT установила камеры и сверхточные атомные часы. Во время наблюдений ученые записывали входящие световые сигналы вместе с точным временем, когда они были получены. Вся эта информация была сохранена на жестких дисках, которые затем отправились в вычислительные кластеры в Массачусетском технологическом институте и Боннском университете.

«Оказывается, Интернет недостаточно быстр, чтобы передать все полученные данные. Чтобы отправить сведения, которые были записаны на Южном полюсе в апреле 2017 года, потребовалось бы порядка 25 лет», – рассказывает Доулман.

Вместо этого жесткие диски были загружены в грузовики и самолеты и доставлены физически в центры обработки данных, где их исследовали с помощью суперкомпьютера и алгоритма, разработанного Кэти Боуман. В частности, записи данных были отсортированы по времени и скорректированы с учетом местоположения съемки и кривизны Земли.

«Проблема в том, что требуется невероятная вычислительная структура для одновременной обработки всех записей», – рассказывает Доулман. «Они отличаются очень высокой пропускной способностью. Необходимо записывать огромное количество данных, чтобы вычислить компенсации и т.д. Для этого требуется компьютерный кластер».

Но конечный результат – изображение намного более четкое, чем можно получить, используя один телескоп, вне зависимости от его размера. Объединив результаты съемки всех восьми обсерваторий, команда EHT создала эквивалент телескопа размером со всю Землю. Каждая дополнительная обсерватория делает этот гипотетический телескоп больше и чувствительнее.

Вот почему эти шесть лет разработок обновлений для ALMA, были так важны. ALMA является одним из крупнейших телескопов в мире. «ALMA увеличил чувствительность техники почти в 10 раз», – говорит Доулман.

Что будет дальше?

Если всего один телескоп способен настолько улучшить конечный результат, почему бы не добавить еще парочку? Доулман отмечает, что все не так просто.

«Всякий раз, когда вы добавляете больше телескопов, возникает проблема. Требуется подсоединить новый телескоп к уже работающей сети, а значит, серьезно увеличить количество обрабатываемых данных», – подчеркивает он.

Конечно, это не непреодолимое препятствие, но это означает, что команде придется серьезнее сосредоточиться на вычислительной инфраструктуре. В настоящее время планируется передать большую часть вычислений в облачные центры обработки данных. «При использовании таких центров, вы получаете практически неограниченный доступ к вычислительной мощности», – говорит Доулман.

И, конечно же, существуют материально-технические и организационные проблемы, связанные с использованием в проекте большего количества телескопов. Время работы каждой обсерватории расписано буквально на годы вперед, требуется провести переговоры с непосредственно организацией и правительством страны, в которой телескоп расположен. Координация такого количества переменных непроста.

Однако Доулман подчеркивает, что это того стоит, если итогом будут более четкие изображения самых загадочных объектов космоса. Благодаря большому количеству телескопов мы сможем получать еще более четкие фотографии, а в конечном счете, можно рассчитывать на получение видеозаписей в режиме реального времени.

«Мы уверены, что сможем сделать следующий шаг и перейти от статичных фотографий к созданию видеоролика. Нет никаких материально-технических проблем, которые помешают воплощению этой идеи уже в следующем десятилетии», – подчеркнул Доулман.

Возможно в конце 2020-х годов нам представят видео с газовыми облаками, кружащимися вокруг черной дыры, размер которой превышает нашу Солнечную систему. Они движутся настолько быстро, что превращаются в плазму и неизбежно оказываются внутри черной дыры.