Как ученые сотрудничали, чтобы создать первое в мире изображение черной дыры

В апреле прошлого года коалиция сотен ученых со всего мира собралась вместе, чтобы достичь того, что раньше считалось невозможным: создания первое в истории изображение черной дырыв рамках проекта Event Horizon Telescope (EHT).

Джонатан Вайнтруб — инженер-электрик и ученый, сыгравший ведущую роль в разработке цифровое оборудование для всего массива и кто участвовал в EHT с самого начала этапы. Digital Trends поговорила с ним о проблемах, связанных с объединением такого количества людей, учреждений и телескопов для достижения одной общей цели.

Эта статья является частью нашей серии «Инновации через сотрудничество».

Сотрудничество – это сверхсила человечества. Это позволило добиться некоторых из наиболее значительных достижений, которые когда-либо видел мир, и в этой серии: мы покажем некоторые из самых невероятных и вдохновляющих примеров сотрудничества, которое происходит правильно. сейчас.

Переоборудование телескопов под новую функцию

Проект потребовал использования восьми разных телескопов в шести разных местах. Однако эти телескопы не были созданы специально для этой задачи — Вайнтруб и его коллеги взяли существующие телескопы и оснастили их новым оборудованием, чтобы сделать их частью глобального массива.

Большинство телескопов представляли собой одиночные параболические тарелки, такие как Телескоп Южного полюса в Антарктиде или IRAM. 30-метровый телескоп в Испании, «чтобы они выглядели как спутниковая антенна для вашего телевизора, только больше», Вайнтруб объяснил. Команда установила на каждую тарелку по две единицы оборудования: во-первых, существовала цифровая серверная часть, состоящая из аналого-цифрового преобразователя и компьютера Linux с 256 терабайтами памяти на каждый рекордер. Четыре таких записывающих устройства на каждую площадку содержали в общей сложности 1,2 петабайта данных.

Во-вторых, существовали атомные часы, поскольку точные временные метки необходимы для получения точных показаний по всему массиву. «Он размером с общежитский холодильник, и он сохраняет время с точностью до секунды каждые десять миллионов лет», — сказал Вайнтруб.

Некоторые из задействованных телескопов представляли собой массивы, состоящие из нескольких антенн, такие как субмиллиметровая решетка на Гавайях или большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка в Атакаме в Чили. Для проекта EHT эти массивы должны действовать как одна станция. Это потребовало дополнительного этапа обработки, как объяснил Вайнтруб: «Вместо стандартной обработки, которую мы выполняем на сигналов, мы создаем специальный прибор, который суммирует выходные данные каждого телескопа в решетке и представляет только один сигнал для оцифровка».

Случайность хорошей погоды

После того, как данные были собраны на каждой площадке телескопа, они были отправлены в центральное место для обработки либо в Массачусетсе, либо в Бонне, Германия. Но «1,2 петабайта на каждой станции — это слишком много данных для отправки через Интернет», — сказал Вайнтруб. «Поэтому мы физически упаковываем эти диски в коробку и отправляем их в центральное место».

Однако диски телескопа на Южном полюсе оказались непростой задачей. «Ни FedEx, ни UPS не обслуживают Южный полюс, и когда мы проводим наблюдения в апреле, воздушного сообщения нет. К концу февраля они закрыли самолеты, и там остался лишь скелетный персонал, который упаковывает диски. Мы ждем шесть месяцев, прежде чем прибудет самолет и заберет диски. В итоге нам пришлось шесть месяцев ждать данных с Южного полюса».

Еще одним практическим вопросом была погода на каждом участке. Высокочастотные радиотелескопы, подобные тем, которые используются в проекте EHT, чрезвычайно чувствительны к воде в атмосфере и для эффективной работы требуют ясного неба. Вот почему большинство телескопов расположены на больших высотах с очень сухой атмосферой, например, в пустыне Атакама в Чили или Мауна-Кеа на Гавайях. Несмотря на это, для наблюдения необходима хорошая погода на каждом отдельном участке. «Если вы хотите, чтобы это сработало, вам нужно, чтобы на всех объектах совпала хорошая погода. Как оказалось, такое случается довольно редко».

Погодные условия влияют не только на науку, но и на ученых. Экстремальная высота и низкая влажность создают свои проблемы для людей, работающих на объектах. «На вершине горы очень мало водяного пара. Это как пустыня. Твоя кожа трескается, тебе нужно защитить губы». А что касается высоты: «Мы находимся на высоте до 6000 метров. Атмосферное давление составляет около 60% от давления на уровне моря. У вас высотная болезнь и головные боли». Чтобы приспособиться к условиям, ученые акклиматизируются, проводя несколько дней на все более высоких высотах.

Собирание людей и организаций

EHT был лишь одним из многих проектов, конкурирующих за время на различных телескопах. Число подписчиков на телескопы слишком велико, а это означает, что на их использование подается больше проектов, чем может быть выделено, поэтому время на инструменты может быть конкурентоспособным. Пытаясь собрать правительства, организации и учёных, чтобы дать время EHT на различные телескопов было «вопросом выкручивания рук», особенно до того, как знаковый результат EHT попал в заголовки газет. 2019.

И есть проблема координации огромного количества людей, живущих в разных странах. Практичность того, что исследователи живут в часовых поясах от Восточной Азии до Гавайев, означает, что практически невозможно найти время для проведения телеконференций. В итоге Вайнтруб организовал две версии каждой глобальной встречи, чтобы каждый мог присутствовать на одной, не вставая посреди ночи.

Личные проблемы

Существует также часто упускаемый из виду межличностный аспект совместной научной работы. «Объединение всех этих телескопов было представлено как модель сотрудничества для остального мира, но это действительно потребовало сложных переговоров», — сказал Вайнтруб. «Конечно, возникает проблема, когда сотрудничество вырастает из группы из 12 исследователей в группу из более чем 250 человек. В рамках сотрудничества существует определенная доля естественной конкуренции и соперничества. Это может быть немного личным испытанием».

В научных кругах относительный вклад авторов в опубликованные статьи отражается в порядке перечисления их имен. Но попытаться определить индивидуальный вклад каждого исследователя в такой огромный проект было практически невозможно. Некоторые члены команды работали над проектом в течение десяти лет, тогда как другие присоединились к нему только в последние несколько лет. И на исследователей, особенно на ранних этапах их карьеры, оказывается огромное давление, требующее, чтобы их имя упоминалось в важных публикациях.

«Вокруг авторства было много споров», — сказал Вайнтруб. В конце концов, в статьях проекта EHT «авторство чисто алфавитное. После участия в дебатах это был единственный способ сделать это».

Замечательный результат

Вся эта работа и координация привели к поистине замечательному результату: первому в истории изображению черной дыры, расположенной в галактике Мессье 87. И проект EHT будет продолжен, и в будущем к нему присоединятся еще больше телескопов, чтобы в будущем получать изображения большего количества черных дыр с еще большей чувствительностью.

Рекомендации редакции

• Они сделали первую в мире фотографию черной дыры. Сейчас они снимают видео
• Астрономам нужна ваша помощь в идентификации тысяч черных дыр
• Астрономы исследуют крошечные галактики, чтобы понять эволюцию черных дыр
• Планеты могут формироваться вокруг сверхмассивных черных дыр, показывают новые исследования
• Астрономы обнаружили «невозможную» черную дыру в нашей галактике

Обновите свой образ жизниDigital Trends помогает читателям быть в курсе быстро меняющегося мира технологий благодаря всем последним новостям, забавным обзорам продуктов, содержательным редакционным статьям и уникальным кратким обзорам.