Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Фальке Хайно

Экспедиции – это одни из наиболее ярких событий в научной карьере астронома. Но поскольку в разъездах приходится проводить довольно много времени, я всегда жду момента окончания работы и спешу поскорее вернуться к семье. Жена говорит, что всякий раз, как я возвращаюсь, ей прежде всего приходится “спускать меня на землю”. После измерительной кампании в Испании это действительно необходимо. Работа в течение нескольких ночей подряд полностью истощила силы участников EHT-измерений. Сейчас мне прежде всего надо выспаться, и, я уверен, это же относится к коллегам на других телескопах. Пока члены многочисленной команды EHT возвращаются из удаленных уголков Земли домой, к цивилизации, служба доставки отправляет по заданным маршрутам в больших деревянных ящиках около тысячи жестких дисков с зарегистрированными данными.

“Ради бога, пусть с ними не случится ничего плохого”, – думаю я. Уже бывало, что при перевозке данные РСДБ терялись. На этих дисках хранятся все сокровища EHT, все наши драгоценные материалы. Резервное копирование невозможно, поскольку объем данных слишком велик. Нам приходится работать без страховки, без ремней безопасности. Потеря данных будет неописуемой катастрофой и для нас, и для нашего проекта. Вся кампания пойдет прахом, и кто знает, когда мы опять дождемся такой хорошей погоды.

Один за другим наши ящики приходят в обсерваторию Хейстек. Оттуда часть данных пересылается в Институт Макса Планка в Бонне. Дольше всего приходится ждать жесткие диски с Южного полюса. До окончания антарктической зимы осталось полгода, и только тогда их можно будет отправить со станции Мак-Мердо. Все это время члены нашей команды на Южном полюсе будут оставаться на станции. Их ночь кончится еще не скоро.

За пять дней наблюдений каждый из восьми телескопов собрал около 450 терабайт данных. Это значит, что нам предстоит проанализировать порядка 3,5 петабайта, а петабайт – это число с 15 нулями! Первый шаг – согласовать данные разных телескопов, то есть стандартизовать и расположить данные в строго хронологическом порядке. Эту работу планируют разделить между собой команды из Массачусетса и Бонна. Кроме того, каждая из команд перепроверит часть данных других команд. Оба института десятилетиями занимаются подобной работой, и все же – доверяй, но проверяй.

Установление корреляционных зависимостей обусловлено необходимостью “выудить” радиоволны, сохраненные в безбрежном море данных, и наложить их одну поверх другой. EHT – это интерферометр, а информация, которую с его помощью можно получить, всегда представляет собой комбинацию волн, зарегистрированных двумя телескопами. Для наших целей сам по себе один телескоп вообще бесполезен. Интерференцию можно представить себе так: вы бросаете два камня в пруд, в результате чего на его поверхности образуются расходящиеся круги, иначе говоря, – волны. Когда волны перекрываются, они в определенных местах гасят друг друга, а в других местах усиливают, что приводит к появлению характерного узора. Полное название этого узора, состоящего главным образом из пересекающихся линий, “картина интерференционных полос”, но радиоастрономы для краткости называют его просто “полосы”. Исходя из направления и интенсивности линий, можно очень точно определить относительный размер камней и место, где они коснулись воды. Задача радиоастрономов сложнее: свои измерения они проводят не в тихом пруду, а, скорее, в океане во время шторма. Прежде чем что‐то можно будет увидеть, приходится накладывать друг на друга горбы и впадины невероятного количества волн, а для этого волны должны быть строго синхронизированы, так как иначе интерференционная картина развалится.

Для синхронизации радиоволны надо сдвинуть друг относительно друга так, чтобы они колебались, условно говоря, в одном и том же ритме. Эксперты в корреляционных центрах чем‐то напоминают ди-джеев, которые, регулируя скорости двух проигрывателей, выравнивают ритм двух разных песен. Песни звучат как одна мелодия, если их ритмы синхронизированы идеально. Отличие с радиоастрономами состоит в том, что последние работают не с двумя проигрывателями, а со сложными регистраторами данных Mark 6 с разных телескопов. Только когда эти данные идеально синхронизированы, телескопы начинают функционировать в РСДБ-режиме.

Ди-джей сразу знает, синхронизировал ли он проигрыватели, а нам предстоит долго ждать результатов. Если ди-джей ошибся и ритмы двух песен не синхронизированы, он сразу это заметит или в крайнем случае увидит, что танцующие затыкают уши и из‐за резких звуков убегают с танцпола. Но, проводя измерения, мы не можем проверить, все ли работает синхронно. Наш опыт наблюдений напоминает опыт первых исследователей морских просторов: без GPS, без каких‐либо ориентиров они плыли по безбрежным водам, надеясь добраться до далекой цели. До самого конца мы не будем знать, не пошли ли все наши усилия прахом. Как и путешественники, мы узнаем это, только благополучно добравшись до цели. Полосы – иначе говоря, хорошо перекрывающиеся структуры – обнаружить удается не всегда. До поступления результатов нам остается только ждать, нервничать и грызть ногти.

Чтобы подстроить темп каждого из телескопов, необходимо знать (и знать точно!) как положение каждого из них относительно неба, так и относительное время прихода радиоволн из космоса. Для оценки этих величин эксперты РСДБ используют модель движения Земли, учитывающую ее вращение, нестабильность вращения и измеренное смещение полюсов за счет движения и морей, и слоев атмосферы. Суперкомпьютер, который связывает между собой более тысячи операционных устройств, ищет в статических изображениях радиоволн, зарегистрированных каждой парой телескопов, общие колебания, сдвигая для этого волны так, чтобы они совпали друг с другом, и выбирает самые лучшие корреляции.

Подобные расчеты – дело трудоемкое и выматывающее. И для ошибок тут много места: если сместиться всего на миллисекунду, придется пересматривать миллионы альтернативных вариантов. Полный анализ корреляций часто продолжается дольше самих наблюдений. По этой причине начинают всегда с базисных тестов, которые включают небольшой объем данных, полученных двумя телескопами, что направлены на очень яркий квазар.

26 апреля 2017 года поступают первые сообщения о корреляциях. Майк Титус, эксперт по корреляциям из MIT, гордо рапортует, что обнаружены первые интерференционные полосы для данных, полученных при наблюдении за квазаром OJ 287, телескопами JCMT на Гавайях и LMT в Мексике. Вес взят. Это похоже на крик матроса: “Вижу землю!” Мы постепенно продвигаемся вперед. На следующий день Титус сообщает о еще более четкой интерференционной картине, построенной на основании данных телескопов JCMT, LMT и SMA для радиоисточника 3C 279. Практически каждый день поступают новые сведения об успехах, и мало-помалу в наши расчеты включается вся сеть. 5 мая я информирую директора IRAM[162], что EHT обнаружил интерференционные полосы от сигналов практически всех телескопов. Невероятно, но сработало, все сработало! Даже если у нас нет ни малейшего представления о том, что именно покажут наши данные, – они все равно лучшие из когда‐либо полученных в экспериментах такого рода! В космосе мы ступили на новую, неизведанную территорию.

Однако прошло целых девять месяцев, прежде чем мы закончили вычисление корреляции всех данных, включая данные с Южного полюса. Но еще до того, как у нас появилась хоть какая‐то информация о том, что конкретно нам станет известно на основании полученных данных, мы начали второй раунд наблюдений.

28 апреля 2018 года удача отвернулась от нас. Мы теряем целых три дня, поскольку не готов новый приемник одного из телескопов, да еще и погода не желает нам благоприятствовать. На Пико дель Велета я не вижу край телескопа – он теряется в тумане. Антенны телескопа ALMA в Чили неожиданно покрылись льдом, да и в Аризоне и на Гавайях погода так себе. И все же в наблюдениях первый раз принимает участие новый Гренландский телескоп (GLT), которым управляют наши коллеги из Тайбэя.