Анализ данных о черной дыре доказал: знаменитое кольцо действительно существует

Фото из открытых источников

Когда в 2019 году команда проекта «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT) представила первое изображение черной дыры, в астрофизическом сообществе возник настоящий ажиотаж: на снимке черной дыры M87* отчетливо просматривалась кольцевая структура — в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности. Однако в последующие годы, по мере того как другие исследовательские группы проводили повторный анализ этих данных, начали звучать скептические оценки. Новое, полностью независимое исследование окончательно развеяло эти сомнения. Его результаты были опубликованы в журнале Nature.

Характерная кольцеобразная форма, ставшая визитной карточкой снимка EHT, обусловлена фундаментальным свойством общей теории относительности: способностью света искривляться вблизи объектов колоссальной массы. Наблюдение этого эффекта в реальности стало одним из самых веских доказательств справедливости общей теории относительности.

Получить такое изображение удалось благодаря уникальной архитектуре EHT — сети телескопов, расположенных в разных точках земного шара и работающих как единая гигантская радиоантенна размером с планету. Это позволяет заглянуть гораздо ближе к краю черной дыры, чем любая другая обсерватория. Впрочем, эта же особенность накладывает на EHT определенные ограничения. «В состав сети входит лишь небольшое число телескопов, разбросанных по всему миру. Из-за этого в данных возникают значительные пробелы, которые приходится заполнять с помощью специальных алгоритмов обработки изображений, — объясняет Нитьянандан Тьягараджан из австралийской организации CSIRO. — Кроме того, наблюдения ведутся в диапазоне очень коротких радиоволн, где атмосфера может заметно искажать сигнал».

Из-за этих ограничений «сырые» данные EHT допускают более широкую интерпретацию, чем результаты большинства других астрономических наблюдений, а методы их обработки существенно влияют на итоговое изображение. Хотя в большинстве исследований данных по M87* удавалось выявить кольцевую структуру, в одной из работ, опубликованной в 2022 году, кольцо обнаружить не удалось.

Поэтому Тьягараджан и его коллеги, приступая к повторному анализу, разработали принципиально новый алгоритм обработки данных. Вместо стандартного подхода, при котором анализируются сигналы от пар телескопов EHT, исследователи объединили телескопы в группы по три (триплеты). 

«Объединяя измерения, полученные с помощью групп из трех телескопов, мы сохраняем информацию о форме объекта, одновременно исключая погрешности, вносимые атмосферой и самими телескопами», — говорит Тьягараджан. 

Кроме того, исследователи разработали алгоритм машинного обучения, обученный на изображениях объектов, не являющихся черными дырами; это позволило свести к минимуму предвзятость, связанную с ожиданиями ученых относительно того, как должно выглядеть искомое изображение.

В итоге полученное ими новое изображение оказалось практически идентичным исходному. Это служит важным подтверждением вывода коллаборации EHT о том, что общая теория относительности действительно точно описывает пространство-время в окрестностях черной дыры.