Сила притяжения внутри черной дыры настолько велика, что даже свет не может вырваться наружу, потому наблюдать саму черную дыру невозможно. В попытке избежать данное ограничение ученые создали новый алгоритм, который поможет астрономам получить полное изображение черной дыры. Методика, на которую рассчитывают ученые, превратит Землю в самый большой в мире телескоп с огромным коэффициентом и расширением более чем в тысячу раз большим нежели у Хаббла.
Астрономы часто используют радиотелескопы для получения изображений с далеких объектов. В отличие от обычных оптических телескопов длины волн на радиотелескопах идут гораздо дольше и меньше подвергаются эффекту рассеивания от атмосферы Земли и пылевых облаков находящихся в межзвездном пространстве.
«Как радиочастоты проходят сквозь стены, они пронизывают галактическую пыль. Мы никогда не сможем увидеть в центре нашей галактики в видимой области длин волн, потому что там слишком много всего» — рассказывает Кэти Боуман, выпускница МИТ возглавляющая разработку алгоритма.
Длинные радиоволны при всей своей эффективности требуют также и больших антенн для сбора полученных сигналов. Это значит, что расширение изображения может быть не таким уж и широким, если не правильно рассчитать количество антенных решеток.
«Черная дыра — это что-то очень, очень далекое и очень компактное,» — говорит Боуман. «[Сфотографировать черную дыру в центре галактики Млечный Путь] эквивалентно съемке грейпфрута на Луне, но с радиотелескопа. То что образ этот небольшой означает, что нам потребуется телескоп с 10000-километровым диаметром, который не является практичным, потому, что диаметр Земли даже не 13,000 километров».
Тут на помощь приходит международное сотрудничество и объединенная сеть Event Horizon Telescope (EHT), это массив радиотелескопов, который оплетает весь мир и использует интерферометрию со сверхдлинной базой. Для того, чтобы сеть работала нужно чтобы разные антенны по всему миру принимали один сигнал, таким образом получается огромный охват космического пространства, расстояние между такими телескопами исчисляется разницей во времени между приемом радиосигналов разными телескопами.
Сеть можно использовать как полностью, так и частично комбинируя отдельные телескопы. Загвоздка данного проекта в том, что даже если объединить их всех единовременно, все равно остаются белые пятна. Потеря важной информации происходит из-за того, что радиосигнал достигает каждого телескопа в разное время, а не единовременно, где-то ему мешает поворот планеты, где-то атмосфера Земли, таким образом расчеты искажаются. Исправить эту проблему может алгоритм CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors) разработанный Боуман.
Путем умножения измерений из всего трех телескопов, дополнительные задержки созданные атмосферой компенсируют друг друга. Это увеличивает количество телескопов от двух до трех, но увеличение точности более чем компенсирует это. Хоть фильтрации атмосферных помех это большой шаг, следующая часть — математический процесс, чтобы собрать изображение, которое является достаточно точным для сравнения данных и достаточно точным, чтобы соответствовать ожиданиям того, как изображение должно выглядеть. Все потому, что многочисленные возможные образы могут соответствовать данным из-за разреженности телескопов, разбросанных по всему миру.
Традиционный алгоритм для обработки астрономических интерферометрических данных строится на предположении, что изображение состоит из отдельных точек света. Таким образом, он пытается найти точки с яркостью и позиции, которые лучше всего соответствуют известным данным, а затем сводит вместе яркие области для создания образа.
Боуман и ее коллеги решили создать модель немного сложнее, где точки света по-прежнему используются, но они считаются как плоскости различной градации света и состоят из равномерно расположенных конусов разной высоты, но за основу все же взят диаметр.
Чтобы выровнять эту модель для входящих данных интерферометрии, команда корректирует высоту конуса, который может быть даже равен нулю для больших площадей, что соответствует плоскому листу. Для интерпретации полученной модели в визуальное изображение, исследователи будут соотносить яркость изображения и, то как что высота постоянно изменяется, модель сделает это более естественным, непрерывным изображением, а не группой ярких точек.
Уточнять эти изображения будет алгоритм, который повторяет все визуальные образы 64-пикселями.
В качестве доказательства работоспособности метода, Боуман уже продемонстрировала его на разных телескопах со случайными колебаниями атмосферного шума, и прочими видами вмешательства.
«Существует большой разрыв между необходимым высоким качеством восстановления и небольшим объемом данных», — сказал Йоав Счечнер, профессор электротехники из Израиля, он не участвует в работе: «Данное исследование призвано восполнить этот пробел несколькими способами: тщательное моделирование процесса зондирования, передовые выводы предварительного изображения модели, а также должен быть найден инструмент, чтобы помочь будущим исследователям испытать новые методы.»
