Телескоп размером с планету: как сфотографировали чёрную дыру

Чтобы разглядеть чёрную дыру, оказалось проще превратить в телескоп всю планету, чем построить один достаточно большой.

Снимок чёрной дыры — это не фотография в привычном смысле, а результат вычислений: восемь телескопов записали радиоволны, а суперкомпьютеры собрали из них изображение того, что увидела бы антенна размером с Землю.

В апреле 2019 года человечество впервые увидело чёрную дыру — оранжевое кольцо света с чёрной пустотой в центре, в галактике M87, в 55 миллионах световых лет от нас. Объект колоссальный: его масса в 6,5 миллиарда раз больше солнечной. Но он так далеко, что с Земли выглядит как апельсин, лежащий на Луне. Никакой обычный телескоп такое разглядеть не способен.

Почему нельзя просто построить телескоп побольше

Способность телескопа различать мелкие детали зависит от размера его «зеркала» (или антенны): чем оно больше, тем чётче картинка. Чтобы увидеть кольцо вокруг чёрной дыры, понадобился бы радиотелескоп с тарелкой размером с целую планету. Построить такое невозможно. Но физики придумали обходной путь — интерферометрию.

Хитрость с интерферометрией

Идея в следующем. Не обязательно иметь сплошную тарелку диаметром в тысячи километров. Достаточно поставить несколько небольших телескопов в разных точках Земли и заставить их смотреть на один объект одновременно. Если потом очень аккуратно совместить записанные ими радиоволны, система начинает работать так, будто это один гигантский инструмент, чей диаметр равен расстоянию между самыми удалёнными телескопами. Проект так и назвали — Event Horizon Telescope, «Телескоп горизонта событий». В него вошли восемь обсерваторий от Гавайев и Аризоны до Чили, Мексики, Испании и Южного полюса.

Где здесь IT: петабайты и атомные часы

Самое сложное — синхронизация. Чтобы волны от разных телескопов сложились правильно, нужно знать момент прихода каждого сигнала с точностью до долей наносекунды. Поэтому на каждой обсерватории установили водородные атомные часы — самые стабильные из доступных. Каждый телескоп просто записывал сырой поток радиоволн вместе с точнейшими временными метками.

Объёмы данных были чудовищными. За несколько ночей наблюдений набралось около 5 петабайт — это примерно 5 миллионов гигабайт, тысячи жёстких дисков. Передать столько по интернету было нереально, особенно с Южного полюса. Поэтому диски физически грузили на самолёты и свозили в два вычислительных центра — в США и Германии. Шутка астрономов того времени: «Самый быстрый интернет — это Boeing, набитый винчестерами».

Склейка изображения

Дальше за дело взялись суперкомпьютеры со специальными процессорами-коррелаторами. Они сопоставляли записи всех телескопов попарно, выравнивая их по времени и компенсируя задержки от вращения Земли и помех атмосферы. Но даже после этого данных не хватало: восемь точек — это далеко не сплошная тарелка, в «зеркале» оставались огромные дыры. Поэтому финальную картинку восстанавливали алгоритмами, которые искали наиболее правдоподобное изображение, согласующееся с измерениями.

Здесь команда поступила честно и осторожно: чтобы не «нарисовать» бублик случайно, исследователей разбили на четыре независимые группы. Каждая обрабатывала данные своими методами, не подглядывая к соседям. Когда все четыре получили одно и то же кольцо, стало ясно — это не артефакт обработки, а реальный объект.

Что вообще видно на снимке

Саму чёрную дыру увидеть нельзя по определению: свет из-за горизонта событий не выходит. Тёмное пятно в центре — это «тень» дыры, область, откуда излучение не доходит. А оранжевое кольцо — раскалённый газ, который по спирали падает внутрь, разгоняясь почти до скорости света и светясь от трения. Размер тени точно совпал с тем, что предсказывала теория относительности Эйнштейна для объекта такой массы. Сто лет спустя её снова проверили — и она снова устояла.

Так первое фото чёрной дыры стало триумфом не только астрономии, но и информатики: без точной синхронизации часов, гигантских массивов данных и хитрых алгоритмов восстановления изображения мы бы по-прежнему смотрели на пустое чёрное небо там, где теперь светится знаменитое кольцо.