Снимки были получены с использованием массива телескопов планетарного масштаба, называемых Event Horizon или EHT. Состоит из восьми радиотелескопов, каждый из которых расположен в отдалённой высотной среде, включая горные вершины Гавайев, испанскую Сьерра-Неваду, чилийскую пустыню и льды Антарктиды.
Схематическое расположение телескопов, создавших изображение чёрной дыры.
В любой данный день каждый телескоп работает независимо, наблюдая астрофизические объекты, излучающие слабые радиоволны. Однако чёрная дыра бесконечно меньше и темнее любого другого радиоисточника на небе. Чтобы увидеть это ясно, астрономам нужно использовать очень короткие волны - в данном случае 1,3 миллиметра - которые могут свободно проходить через газовые и пылевые облака между черной дырой и Землей.
Создание фотографии черной дыры также требует значительного увеличения углового разрешения, что в данном случае эквивалентно чтению текста на телефоне в Нью-Йорке из кафе в Париже. Угловое разрешение телескопа увеличивается пропорционально размеру приемной тарелки. Однако даже самые большие радиотелескопы на Земле недостаточно велики, чтобы увидеть черную дыру.
Но когда несколько радиотелескопов, разделенных очень большими расстояниями, синхронизированы и сфокусированы на одном источнике в небе, они могут работать как один очень большой радиотелескоп, используя технику, известную как очень длинная базовая интерферометрия, или VLBI. В результате их комбинированное угловое разрешение может быть значительно увеличено.
Что касается EHT, то восемь участвующих телескопов суммируются в виртуальную радиоприемную тарелку размером с Землю, с максимальным угловым разрешением до 20 микросекунд - примерно в 3 миллиона раз лучше идеального зрения человека. По счастливому стечению обстоятельств этого достаточно, чтобы наблюдать чёрную дыру по уравнениям Эйнштейна.
"Природа была добра к нам и дала нам что-то достаточно большое, чтобы увидеть черную дыру, используя современное оборудование и методы", - говорит Крю, один из руководителей рабочей группы по объединению телескопов в массив EHT.
Огромные объемы данных
5 апреля 2017 года EHT начала наблюдение за M87. Изучив многочисленные прогнозы погоды, астрономы определили четыре ночи, которые дадут идеальные условия для всех восьми обсерваторий - редкая возможность, когда они смогут работать как единое радио-блюдо для наблюдения черной дыры.
В радиоастрономии телескопы регистрируют поступающие фотоны как волны, амплитуда и фаза которых измеряются как напряжение. Когда они наблюдали M87, каждый телескоп регистрировал результирующие напряжения как матрицы чисел. "Мы записали кучу данных - петабайт для каждой станции", - говорит Крю.
Всего каждый телескоп получил около одного петабайта данных, что равно 1 миллиону гигабайт. Каждая станция зафиксировала этот огромный поток информации на нескольких Mark6-ultra-fast регистраторах данных, которые были первоначально разработаны в обсерватории Хэйстак.
Опубликованы первые фотографии черной дыры - как они их получили? Космос, Крут, Телеском, Исследования, Длинный пост
Такие серверы, оборудованные Mark6 регистраторами, расположены в каждой обсерватории и позволяют записывать петабайты данных.
После завершения наблюдений исследователи на каждой станции собрали стопку жестких дисков и отправили их по почте в обсерваторию Хайстека в Массачусетсе и Институт радиоастрономии Планка в Германии - да, воздушный транспорт в этом случае был намного быстрее, чем электронная передача данных. В обоих местоположениях данные воспроизводились на узкоспециализированных суперкомпьютерах, называемых корреляторами, которые обрабатывали данные в двух потоках одновременно.
Поскольку все телескопы в EHT-массиве находились в разных местах, у них были несколько разные виды интересующего объекта - в данном случае M87. Данные, полученные двумя отдельными телескопами, включают сигнал от черной дыры, но также содержат шумовую характеристику соответствующих телескопов.
Суперкомпьютер коррелятора сравнивает данные всех 8 телескопов EHT попарно. На основе этих сравнений он математически отфильтровывает шум и выбирает только сигнал из черной дыры. Этому способствуют и установленные на каждом телескопе высокоточные атомные часы - они позволяют максимально точно сравнивать полученные потоки данных.
"Точное согласование потоков данных и учет всех видов тонких возмущений во времени является одной из вещей, на которых специализируется Haystack", - говорит Колин Лонсдейл, директор Haystack и вице-председатель Совета директоров EHT.
Затем команды как в Хайстеке, так и в Институте радиоастрономии Планка начали кропотливый процесс "сопоставления" данных, выявления ряда проблем на разных телескопах, их исправления и повторного сопоставления до тех пор, пока данные не состыкуются идеально. Только после этого они были переданы четырем отдельным командам по всему миру, каждой из которых было поручено создать их образ с помощью независимых методов.
"Это была вторая неделя июня, и я помню, что держался всю ночь, прежде чем получить данные, убеждая себя, что я могу правильно их получить", - говорит Кадзунори Акияма, руководитель одной из команд обработки изображений с EHT.
Все четыре группы обработки изображений ранее проверили свои алгоритмы на других астрофизических объектах, убедившись, что их методы позволят точно визуализировать радиоданные. Когда данные были получены, Акияма и его коллеги немедленно проверили их, используя свои алгоритмы. Важно отметить, что каждая команда делала это независимо от других, чтобы избежать какого-либо группового отклонения в результатах.
"Первое изображение, которое получила наша группа, было немного грязным, но мы видели это кольцевое излучение, и я был так взволнован в тот момент", - вспоминает Акияма. "Возможно, я был единственным человеком, который получил изображение черной дыры".
Опубликованы первые фотографии черной дыры - как они их получили? Космос, Крут, Телеском, Исследования, Длинный пост
Изображения получены разными командами.
Его беспокойство было недолгим. Вскоре после этого все четыре команды встретились в рамках инициативы "Чёрная дыра" в Гарвардском университете, чтобы сравнить полученные изображения, и обнаружили, с некоторым облегчением, что все они создали одно и то же изогнутое кольцо - подобно структуре - первые прямые изображения чёрной дыры.
"Были способы найти подписи черных дыр в астрономии, но это первый раз, когда кто-либо их сфотографировал", - говорит Крю. "Это переломный момент."
