2Sep
Naše chápání vesmíru se trochu změnilo v dubnu 2019, kdy došlo ke koordinaci mezinárodního týmu astronomů oktet dalekohledů rozšířila po celém světě, aby zachytila první fotografický důkaz černých děr. Renomovaní astrofyzici a profesor astročásticové fyziky a radioastronomie na Radboudu Univerzitní doktor Heino Falcke byl nejen k dispozici na významném zobrazovacím sezení, ale také vedl cesta.
Světlo v temnotěje meditací o těchto snahách, zkoumání podstaty černých děr prostřednictvím technologického, vědeckého, filozofického a duchovního hlediska. V úryvku níže Falcke zkoumá vnitřní fungování Fourierových transformací a jak pomohly odhalit nejtemnější místa vesmíru.
Heino Falcke
Výňatek z Světlo v temnotěod Heina Falckeho, přetištěno se svolením HarperOne, otisk HarperCollins Publishers. Copyright 2021.
Obrázky vesmíru nepadají jen tak z nebe. Právě naopak, každý astronom ví, kolik úsilí a trpělivosti je třeba k zachycení obrazu vesmíru – zvláště když jsou světelné vlny uloženy na pevných discích. Po shromáždění dat musíme v podstatě sestavit globusový dalekohled na počítači a zjistit, co by parabola nebo zrcadlo tohoto obřího dalekohledu udělalo se skutečnými vlnami.
Matematická operace, kterou zrcadlo provádí, když zaostřuje světlo z vesmíru, se nazývá Fourierova transformace. Operace je pojmenována po francouzském matematikovi Jean-Baptiste Josephu Fourierovi, který tuto myšlenku představil v roce 1822, a dnes se používá v každé myslitelné oblasti našeho každodenního života. Každý, kdo ukládá komprimované obrázky JPEG nebo hudební soubory MP3 do svého počítače, používá aspekty Fourierovy transformace. Naše uši také, přeměňují oscilace na tóny. Ukázalo se, že naše uši jsou matematickí géniové, stejně jako jednoduché konkávní zrcadlo: dokážou automaticky zvládnout složité matematické operace, ve spánku – jako každý, koho uprostřed noci probudilo pípání nefunkčního budíku zkušený. Na počítači však musíme nejprve sami dokončit náročný úkol naprogramovat tyto transformace, což znamená naučit počítač provádět operaci krok za krokem.
Jedinečnou kvalitou Fourierovy transformace je schopnost vynechat informace, aniž by došlo ke ztrátě celkového dojmu z obrazu nebo hudebního díla. Procesy elektronické komprese toho využívají každý den: vytvoříte Fourierovu transformaci obrázku nebo hudebního díla a odstraníte nedůležité části dat a ukládání zbývajících dat a kdykoli je můžete použít k transformaci obrazu nebo zvukového souboru zpět na původní předchozí stav. Rozdíly nejsou téměř viditelné ani slyšitelné, ale objem dat se podstatně zmenšil, což například znamená, že na jednu paměťovou kartu lze uložit více snímků.
Totéž se stane, když je na objektivu fotoaparátu prach nebo když se díváme na noční oblohu dalekohledem s poškrábaným zrcadlem. V důsledku toho ztrácíme informace a zrcadlo nemůže zcela provést Fourierovu transformaci. Přesto nezískáme obrázek s dírami nebo perforacemi, ve kterých některé hvězdy chybí, ale spíše takový, na kterém každá hvězda vypadá o něco méně jasně. Aniž bychom si toho všimli, narušení způsobená chybějícími informacemi jsou rozmístěna po celém snímku. Každá chyba v zrcadle ovlivňuje všechny hvězdy na obrázku stejně. Pomocí počítačového algoritmu však můžete tyto chyby z větší části vypočítat a odstranit, a tím obrázek vylepšit.
Z tohoto důvodu nemusí být globální rádiový interferometr, který není vyroben z velkého odrážejícího zrcadla, tvořen mnoha malými dalekohledy navzájem propojenými, kompletní. Funguje, i když jeho teleskopy nepokrývají každý centimetr světového povrchu. To je ekvivalent poškrábaného zrcadla se spoustou děr – ve skutečnosti mnohem více škrábanců a děr než zrcadlo. Přesto lze s trochou zručnosti a některými cennými matematickými znalostmi rekonstruovat přesný obraz. To ušetří spoustu antén a ještě více peněz. Úplné pokrytí zemského povrchu radioteleskopy by bylo také něco jako povinnost.
Dobré srovnání pro Fourierovu transformaci obrazu je symfonie. Obraz, který vidíte, je jako hudba, kterou slyšíte. Fourierova transformace obrazu je tedy jako partitura symfonie a rádiový interferometr je měřící zařízení, které zaznamenává hudbu a zpětně ji rozděluje na jednotlivé tóny skóre.
Kdykoli v naší síť VLBI, každá kombinace dvou dalekohledů měří přesně jednu notu obrazu, kterou korelátor vypočítá. Vzdálenosti mezi páry dalekohledů jsou základní linie; můžete si je představit jako struny různé velikosti harfy, které jsou zodpovědné za různé tóny. Jen tady je to naopak: struny nevydávají tóny; spíše je poslouchají, a čím déle jsou, tím vyšší „obrazovou poznámku“ zachytí. Vrátíme-li se k analogii symfonie, krátké základní linie budou slyšet hlavně tympány a kontrabas a dlouhé základní linie pouze pikoly a triangl.
Pokud byste například provedli Fourierovu transformaci obrazu lidské hlavy, nízké obrazové poznámky by zachytily pouze tvar hlavy, ale ne detaily obličeje. Vysoké obrazové tóny by na druhé straně zviditelnily zřetelné obrysy úst a nosu, ale ne hlavu kolem nich. Důležité je, jak dlouhé jsou virtuální struny mezi dalekohledy z pohledu rádiového zdroje. Pokud se podíváte na strunu z úhlu, zdá se kratší, než když se na ni díváte přímo shora. V důsledku rotace Země se mění projektovaná délka struny a směr a v průběhu noci trvající několik hodin pozorování se dalekohled vyladí.
Chcete-li získat dobrý obraz ze sítě VLBI, musí být citlivost měření každého jednotlivého dalekohledu přesně kalibrované vzhledem ke každému jinému dalekohledu a relativní zpoždění mezi dalekohledy musí být opraveno. To je ekvivalentní nastavení a rovnoměrnému leštění zrcadla, které se skládá z několika segmentů, nebo přesnému vyladění klavíru. Naše kalibrační skupina1 se tohoto úkolu ujme na jaře 2018. Zajišťuje, že máme správný mix, upravuje různé úrovně hlasitosti ve velkém hudebním díle se spoustou nástrojů; provádí „zvukovou zkoušku“, než může náš koncert začít. Jen tak se z kakofonie dat může vynořit harmonický, symfonický obraz černé díry.
Jednoho dne v polovině května odcházím jako obvykle ze své kanceláře, když ke mně přijde Sara Issaoun, aby si promluvila: „Viděl jsi naše první kalibrační grafy z Sgr A* a M87? Myslím, že vám budou připadat docela zajímavé,“ říká podezřele klidně. Sara má vždy veselou náladu, ale dnes se v jejích očích blýská zvláštní záblesk. Jsem zvědavý a kouknu na její obrazovku. Pak udělám dvojitý záběr. Ohromeně se ptám: "Věříte všichni tomu, co tam vidíte?" "No, jistě, jsou to předběžné údaje; samozřejmě to budeme muset pečlivěji prozkoumat... ,“ odpovídá.
Kalibrační tým se dívá na křivku slabých bodů. Je to hudební stupnice pro M87 a ukazuje hlasitost každé noty, kterou jsme naměřili z objektu, seřazenou podle frekvence. Hlasitost plynule klesá, jak se pohybuje ve směru vysokých tónů obrazu, a nakonec dosáhne nuly. Pokud by obraz černé díry byl portrét, nyní bychom přesně věděli, jak velká byla hlava. Čím méně vysokých tónů, tím větší je hlava. Pak ale křivka najednou začne opět stoupat. Naměřili jsme také hodně hlasitých vysokých tónů. Hlava má také tvář a my jsme ji zachytili! Nejvyšší – a nejdůležitější – tóny se k nám dostaly v posledních minutách, když jsme pozorovali současně ve Španělsku a na Havaji – skutečně ohromující!
Zhluboka se nadechnu, ulevilo se mi a zároveň jsem nervózní. "To je příliš dobré na to, aby to byla pravda!" Každý z nás zná tvar této křivky; je v každé učebnici radioastronomie.2 "Nechci to říkat, ale to docela přesně odpovídá Fourierově transformaci prstenu." Pokud je to pravda, pak je M87 skutečně tak velká, jak někteří lidé říkají, že je, a můžeme vidět stín,“ říkám téměř v úžasu. "Ano, šest až sedm miliard slunečních hmot," dodává Sara s úsměvem.
"No, dobře, nejdřív budeme muset počkat a uvidíme," odpovím odhodlaně, že to bude znít nenuceně, a pokusím se nasadit svůj poker face. Přesto trávím zbytek dne nervózním přecházením po své kanceláři. Je to, jako byste dostali zprávu, že se chystá přijet velmi vzácný host, na jehož návštěvu jste čekali desítky let – tak mi ta situace připadá. Brzy budeme moci poprvé vidět tohoto hosta. Modlitba díků naplňuje jinak tak střízlivý pokoj.
