Що відбувається в галактиках, де зливаються чорні діри? Як ці діри взаємодіють із навколишнім світом? А також – як швидко проаналізувати дані найпотужніших телескопів, для обробки яких «вручну» астрономи мали б трудитися десятиліттями?
Відповіді на ці запитання шукають науковці Головної астрономічної обсерваторії НАН України. У 2020 році їхній проєкт «Астрофізичні Релятивістські Галактичні Об’єкти (АРГО): життєвий шлях активних ядер» переміг у конкурсі Національного фонду досліджень України «Підтримка провідних та молодих учених» і отримав грантове фінансування в розмірі майже 15 мільйонів гривень.
Максимальне фінансування і прискіплива експертиза
Науковий керівник проєкту – завідувач відділу фізики зір та галактик ГАО Петер Берцик згадує про день, коли дізналися про перемогу в конкурсі, з усмішкою: «Молодь так раділа, що й в інших галактиках, мабуть, було чути, – жартує він. – До речі, масштаб цього проєкту є заслугою саме молодої частини команди. Я пропонував скласти значно поміркованіший план (звик, що грошей на науку постійно бракує), а молоді колеги наполягли, що потрібно нарешті зробити те, про що давно мріяли».
За умовами конкурсу, якщо проєкт передбачає максимальне фінансування, його оцінюють лише закордонні експерти: «Ми готові були до найприскіпливішої експертизи, – наголосив керівник проєкту. – Раді, що колеги з-за кордону оцінили проєкт дуже високо».
Більшість членів команди, яка виконує проєкт, – саме молоді науковці: це вчені з ГАО Марина Іщенко, Маргарита Соболенко, Катерина Вовк, Анатолій Василенко. Також до команди увійшли субвиконавці з Харкова: провідний науковий співробітник Радіоастрономічного інституту НАНУ Олена Баннікова та провідний науковий співробітник НДІ астрономії ХНУ імені В.Н. Каразіна Володимир Ахметов.
Зіткнення галактик
Які ж дослідження виконують астрономи?
Петер Берцик розповів, що проєкт присвячено еволюції активних галактичних ядер (це ядра, у яких чорна діра знаходиться в активній фазі й взаємодіє з газом та зорями).
Цією темою пан Петер займається уже багато років. «Зацікавився чисельним моделюванням взаємодії чорних дір із навколишньою матерією у 2004 році, – згадує він. – Вирішив, що час щось змінювати в науковій кар’єрі (адміністративна робота займала надто багато часу) і поїхав виконувати грантовий проєкт у США. Саме там і почав працювати з графічними картами, які дозволяють проводити швидкі обчислення (ці карти тоді лише з’явилися і коштували дуже дорого)».
Проєкт, який виконує команда вчених з Києва та Харкова, має дві складові: перша – це чисельне моделювання взаємодії чорних дір із оточуючим середовищем, друга – аналіз спостережень і створення загальних каталогів активних галактичних ядер. Обидві складові вимагають копіткої роботи і врахування величезної кількості даних.
– «Фішка» в тому, що чорну діру побачити неможливо, а зорі навколо неї – можна, – продовжив розповідь учений. – Іншими словами, ми можемо спостерігати, як вони обертаються навколо порожнечі. Більш наближені до діри зорі обертаються швидше, більш віддалені – повільніше. При чисельному моделюванні взаємодії чорних дір із оточуючим середовищем потрібно проаналізувати дані мільйонів об’єктів, що знаходяться біля неї. Для цього потрібні спеціальні методи підрахунку, один із яких – індивідуальне інтегрування частинок.
Для спостережень астрономи обрали галактики, які мають подвійні ядра. «Ці галактики проходять сьогодні стадію злиття, – зазначив пан Петер. – У кожній із них була чорна діра, злиття яких ми й моделюємо».
Один із об’єктів досліджень – галактика NGC 6240, у якій чорна діра «вагою» у мільярди сонячних мас починає зливатися з іншою чорною дірою. Подвійну діру «побачили» ще у 2003 році в рентгенівському діапазоні, а у 2019 році було відкрито ще й третю чорну діру.
Вивчати NGC 6240 українські астрономи почали ще кілька років тому: «Галактика зацікавила нас з погляду чисельного моделювання складних систем: вона велика, центральна область простягається на кілька тисяч світлових років, – пояснив астроном. – Ми спробували визначити так званий час злиття, дізнатися, як швидко складна система остаточно створить одну галактику. За нашими підрахунками, це станеться доволі швидко – менш ніж за два десятки мільйонів років. Для космічних масштабів це дрібниця».
Чисельне моделювання динаміки активних ядер у центрі галактик київські вчені виконують разом із відомою дослідницею з Радіоастрономічного інституту НАНУ Оленою Банніковою. Зокрема, інтерпретують результати найбільшого радіоінтерферометра ALMA.
Конкурувати з кращими
За чорними дірами астрономи спостерігають, зокрема, за допомогою гравітаційних хвиль. Їх існування, як відомо, передбачив Альберт Ейнштейн у далекому 1916 році, але вперше ці хвилі «побачили» лише у 2015 році. «Раніше ми лише припускали, що гравітаційні хвилі існують, а нині точно це знаємо. Наше завдання – передбачити, де і коли їх можна буде спостерегти, – зазначив співрозмовник. – До речі, з 2015 року за допомогою цих хвиль астрономам із різних країн світу вдалося спостерегти близько п’ятдесяти випадків злиття чорних дір».
Ці дослідження знаходяться в авангарді астрономії. Українським науковцям доводиться конкурувати з іншими, надзвичайно сильними командами й інститутами. Зокрема, один із таких інститутів для вивчення гравітаційних хвиль кілька років тому створено у Пекіні.
Людство «бачить» більше, ніж може систематизувати
Друга складова проєкту – аналіз спостережень і створення каталогів активних галактичних ядер, допомагає розв’язати серйозну проблему астрономії – обробити величезні масиви даних, що накопичуються завдяки так званим великим цифровим оглядам неба. «Ще кілька десятиліть тому даних «небесних» спостережень було замало, – пояснив науковець. – Сьогодні ж людство «бачить» більше, ніж може обробити, обдумати та систематизувати. Наприклад, на поверхні Землі та в космосі працює декілька роботів-телескопів, які сканують небо, а незабаром почнуть роботу Космічний телескоп імені Джеймса Вебба та Великий синоптичний оглядовий телескоп, які отримуватимуть терабайти астрономічних даних щодня. Проблема ще більш загостриться!».
Оскільки обробляти спостереження мільйона космічних об’єктів одночасно людина не може, науковці залучають до обробки даних штучний інтелект. Один із молодих членів команди, Володимир Ахметов, складає багатошарові нейронні мережі штучного інтелекту, навчає їх за даними сучасних каталогів і потім, зокрема, визначає – чи є об’єкт спостереження активним ядром галактики, чи ні.
Трильйони операцій за секунду
Звісно, виконати цей проєкт без спеціального обладнання було б неможливо, тому за кошти грантового фінансування НФДУ було придбано комп’ютери та чотири графічні карти-прискорювачі, за допомогою яких навчається штучний інтелект та проводиться чисельне моделювання. Купити ці карти керівник проєкту планував ще наприкінці минулого року, але через стрибок попиту на криптовалюту, яку «добувають» за допомогою графічних карт, їх не було в продажу. Придбати прискорювачі вдалося влітку 2021 року. «Одна така карта у чотири рази «швидша» за весь кластер, який ми у 2004 році побудували у США, – розповів пан Петер. – Вона виконує трильйони операцій за секунду».
Науковець пояснив, що це придбання має велике значення не лише для проєкту, але для всієї обсерваторії. На жаль, чимало працівників ГАО нині працюють лише половину робочого тижня (коштів бюджетного фінансування не вистачає). Звісно, науковці не сидять і не чекають, доки «само налагодиться», – шукають гранти, беруть участь у численних проєктах.
За допомогою графічних карт, придбаних за кошти НФДУ, науковці можуть виконувати кілька задач одночасно. «Звісно, потрібно вміти писати коди для цих прискорювачів, – зауважив керівник проєкту. – Це непросто, адже кожного року щось змінюється, додаються нові параметри, які потрібно враховувати».
До написання обчислювальних кодів пан Петер залучає і молодь. Визнає, що комп’ютерна грамотність сьогоднішніх випускників ЗВО дуже зросла, але все ж молоді дослідники надто покладаються на готові рішення з інтернету, які не завжди допомагають. «Інколи доводиться сідати й писати коди власноруч, і цього потрібно навчати ще в університеті», – наголосив учений.
Не шукати легких шляхів
Проєкт має бути завершений до кінця 2022 року і, хоч час ще є, зроблено вже дуже багато: «За три місяці минулого року ми підготували до друку чотири статті у топових міжнародних журналах, – розповів співрозмовник. – У цьому році – ще вісім, зокрема, вийшла стаття про злиття трьох чорних дір у галактиці NGC 6240. Це дуже вагомі публікації».
Колегам, які готують заявки на нові конкурси НФДУ, Петер Петерович порадив реалістично оцінити свій бекграунд і можливості. Іншими словами, варто показати, що команда справді зможе виконати проєкт за допомогою визначеної суми коштів: «Якщо я запропоную побудувати найвищу башту, то навряд чи зможу це зробити, навіть за найбільші гроші, – сміється науковець. – Тому працюймо за темою, у якій є кращими».
Також науковець порадив бути сміливими, не боятися труднощів, не шукати легких шляхів. «Варто мріяти про великі речі й ставити перед собою максимальні цілі, – наголосив він. – Але при цьому не потрібно намагатися охопити неосяжне. Достатньо однієї, але справді вартісної ідеї!».
Публікація – НАЦІОНАЛЬНИЙ ФОНД ДОСЛІДЖЕНЬ УКРАЇНИ