How to take a picture of a black hole | Katie Bouman

Traduttore: Elisa Magni Revisore: Gabriella Patricola

In the movie "Interstellar,"

Nel film "Interstellar"

we get an up-close look at a supermassive black hole.

c'è un'immagine ravvicinata di un buco nero supemassiccio.

Set against a backdrop of bright gas,

Da un campo di fondo di gas luminosi,

the black hole's massive gravitational pull

l'attrazione gravitazionale del buco nero

bends light into a ring.

curva la luce ad anello.

However, this isn't a real photograph,

Ma questa non è una vera fotografia

but a computer graphic rendering --

solo una resa grafica al computer,

an artistic interpretation of what a black hole might look like.

un'interpretazione artistica di come potrebbe apparire un buco nero.

A hundred years ago,

Cent'anni fa,

Albert Einstein first published his theory of general relativity.

Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale.

In the years since then,

Da allora,

scientists have provided a lot of evidence in support of it.

gli scienziati hanno fornito molte prove a sostegno.

But one thing predicted from this theory, black holes,

Ma i buchi neri, preannunciati da questa teoria,

still have not been directly observed.

non sono stati ancora osservati direttamente.

Although we have some idea as to what a black hole might look like,

Benché possiamo avere un'idea di come potrebbero apparire,

in realtà finora non ne abbiamo mai scattato una fotografia.

we've never actually taken a picture of one before.

However, you might be surprised to know that that may soon change.

Ma vi sorprenderà sapere che presto le cose potrebbero cambiare.

We may be seeing our first picture of a black hole in the next couple years.

Potremmo vedere la prima fotografia di un buco nero tra un paio d'anni.

Getting this first picture will come down to an international team of scientists,

Per questo primo scatto ci vorranno un team di scienziati di tutto il mondo,

an Earth-sized telescope

un telescopio [virtuale] con le dimensioni della Terra

and an algorithm that puts together the final picture.

e un algoritmo che componga l'immagine finale.

Although I won't be able to show you a real picture of a black hole today,

Anche se oggi non posso mostrarvi una foto reale di un buco nero

I'd like to give you a brief glimpse into the effort involved

vorrei darvi un'anteprima degli sforzi che sono necessari

in getting that first picture.

per ottenere questo primo scatto.

My name is Katie Bouman,

Mi chiamo Katie Bouman

and I'm a PhD student at MIT.

e sono dottoranda al MIT.

I do research in a computer science lab

Lavoro in un laboratorio informatico

that works on making computers see through images and video.

dove usiamo computer per aumentare la definizione di immagini e video.

But although I'm not an astronomer,

E anche se non sono un astronomo,

today I'd like to show you

oggi vorrei mostrarvi

how I've been able to contribute to this exciting project.

come ho potuto contribuire a questo entusiasmante progetto.

If you go out past the bright city lights tonight,

Se vi allontanate dalle luci della città,

you may just be lucky enough to see a stunning view

potreste avere la fortuna di osservare le meraviglie

of the Milky Way Galaxy.

della Via Lattea.

And if you could zoom past millions of stars,

E se ingrandissimo al di là di milioni di stelle,

26,000 light-years toward the heart of the spiraling Milky Way,

26.000 anni luce verso il centro della vorticosa Via Lattea,

we'd eventually reach a cluster of stars right at the center.

raggiungeremmo un gruppo di stelle proprio al centro.

Peering past all the galactic dust with infrared telescopes,

Scrutando attraverso particelle cosmiche con telescopi a infrarossi

astronomers have watched these stars for over 16 years.

gli astronomi hanno osservato queste stelle per oltre 16 anni.

But it's what they don't see that is the most spectacular.

Ma la cosa più spettacolare. è ciò che non vedono.

These stars seem to orbit an invisible object.

Queste stelle sembrano orbitare attorno a un corpo invisibile.

By tracking the paths of these stars,

Calcolando le orbite di queste stelle,

astronomers have concluded

gli astronomi conclusero

that the only thing small and heavy enough to cause this motion

che l'unica cosa piccola e abbastanza pesante da originare movimento

is a supermassive black hole --

è un buco nero supermassiccio,

an object so dense that it sucks up anything that ventures too close --

una massa così densa da catturare tutto ciò che le si avvicina troppo,

even light.

persino la luce.

But what happens if we were to zoom in even further?

Ma cosa vedremmo se ci avvicinassimo ancora di più?

Is it possible to see something that, by definition, is impossible to see?

È possibile vedere qualcosa che, per definizione, è impossibile vedere?

Well, it turns out that if we were to zoom in at radio wavelengths,

Si è scoperto che se se potessimo ingrandire alla lunghezza di onde radio,

we'd expect to see a ring of light

vedremmo un anello di luce,

caused by the gravitational lensing of hot plasma

creato dalla lente gravitazionale del plasma incandescente

zipping around the black hole.

che ruota attorno al buco nero.

In other words,

In altre parole,

the black hole casts a shadow on this backdrop of bright material,

il buco nero proietta un'ombra su questo fondo di materia luminosa,

carving out a sphere of darkness.

dando vita a una sfera di oscurità.

This bright ring reveals the black hole's event horizon,

Questo anello di luce rivela l'orizzonte del buco nero,

where the gravitational pull becomes so great

dove l'attrazione gravitazionale diventa così forte

that not even light can escape.

da trattenere persino la luce.

Einstein's equations predict the size and shape of this ring,

Le equazioni di Einstein ne stimano grandezza e forma,

so taking a picture of it wouldn't only be really cool,

quindi scattare una fotografia non sarebbe solo ncredibile,

it would also help to verify that these equations hold

ma aiuterebbe a verificare se tali equazioni sono valide

in the extreme conditions around the black hole.

nelle condizioni estreme attorno a un buco nero.

However, this black hole is so far away from us,

Tuttavia, questo buco nero è così lontano da noi,

that from Earth, this ring appears incredibly small --

che dalla Terra quest'anello sembra incredibilmente piccolo,

the same size to us as an orange on the surface of the moon.

grande quanto un'arancia sulla superficie della Luna.

That makes taking a picture of it extremely difficult.

E questo rende estremamente difficile fotografarlo.

Why is that?

Perché?

Well, it all comes down to a simple equation.

Tutto è riconducibile a una semplice equazione.

Due to a phenomenon called diffraction,

Per effetto di un fenomeno detto diffrazione

ci sono dei limiti di fondo

there are fundamental limits

to the smallest objects that we can possibly see.

per riuscire a vedere gli oggetti più piccoli.

This governing equation says that in order to see smaller and smaller,

Questa equazione stabilisce che per vedere oggetti sempre più piccoli

we need to make our telescope bigger and bigger.

dobbiamo rendere il telescopio sempre più grande.

But even with the most powerful optical telescopes here on Earth,

Ma persino con i telescopi ottici più potenti qui sulla Terra

we can't even get close to the resolution necessary

non ci avviciniamo nemmeno alla risoluzione necessaria

to image on the surface of the moon.

per vedere la superficie della luna.

In fact, here I show one of the highest resolution images ever taken

Vi mostro una delle immagini a più alta risoluzione mai scattata

of the moon from Earth.

della luna dalla Terra.

It contains roughly 13,000 pixels,

Si compone di circa 13.000 pixel,

and yet each pixel would contain over 1.5 million oranges.

e ogni pixel conterrebbe oltre un milione e mezzo di arance.

So how big of a telescope do we need

Quanto deve essere grande il telescopio

in order to see an orange on the surface of the moon

al fine di vedere un'arancia sulla superficie lunare

and, by extension, our black hole?

e per estensione, il nostro buco nero?

Well, it turns out that by crunching the numbers,

A quanto pare, facendo due conti,

you can easily calculate that we would need a telescope

si calcola facilmente che ci vorrebbe un telescopio

grande quanto tutta la Terra.

the size of the entire Earth.

(Laughter)

(Risate)

If we could build this Earth-sized telescope,

Se riuscissimo a costruire questo telescopio

potremmo iniziare a vedere il distintivo anello di luce,

we could just start to make out that distinctive ring of light

indicative of the black hole's event horizon.

indicativo dell'orizzonte di un buco nero.

Sebbene tale fotografia non possa contenere i dettagli che vediamo

Although this picture wouldn't contain all the detail we see

in computer graphic renderings,

con elaborazioni grafiche,

it would allow us to safely get our first glimpse

permetterebbe una prima osservazione sicura

of the immediate environment around a black hole.

del campo gravitazionale che circonda un buco nero.

However, as you can imagine,

Tuttavia, come potete immaginare,

building a single-dish telescope the size of the Earth is impossible.

costruire un radiotelescopio grande quanto la Terra è impossibile.

But in the famous words of Mick Jagger,

Ma come dice Mick Jagger:

"You can't always get what you want,

"Non sempre puoi avere ciò che vuoi,

but if you try sometimes, you just might find

ma se qualche volta ci provi, potresti scoprire

you get what you need."

che hai ciò ti che serve".

And by connecting telescopes from around the world,

Collegando i telescopi di tutto il mondo,

an international collaboration called the Event Horizon Telescope

un'associazione internazionale chiamata "Event Horizon Telescope"

is creating a computational telescope the size of the Earth,

sta creando un telescopio computazionale grande quanto la Terra

capable of resolving structure

per fornire una prova diretta

on the scale of a black hole's event horizon.

oggettiva dell'orizzonte di un buco nero.

This network of telescopes is scheduled to take its very first picture

Questa rete di telescopi ha in programma di scattere la prima foto

of a black hole next year.

di un buco nero l'anno prossimo.

Each telescope in the worldwide network works together.

Ogni telescopio collabora all'interno della rete globale.

Linked through the precise timing of atomic clocks,

Sincronizzati con gli orologi atomici,

teams of researchers at each of the sites freeze light

squadre di ricercatori di ogni sito congelano la luce

by collecting thousands of terabytes of data.

raccogliendo migliaia di terabyte di dati.

This data is then processed in a lab right here in Massachusetts.

Questi dati vengono poi elaborati in un laboratorio qui in Massachusetts.

So how does this even work?

Ma come funziona?

Remember if we want to see the black hole in the center of our galaxy,

Se vogliamo vedere il buco nero al centro della nostra galassia

we need to build this impossibly large Earth-sized telescope?

dobbiamo costruire questo telescopio grande quanto la Terra.

For just a second, let's pretend we could build

Per un attimo,facciamo finta di poter costruire

a telescope the size of the Earth.

un telescopio grande quanto la Terra.

This would be a little bit like turning the Earth

Questo sarebbe in parte come trasformare la Terra

into a giant spinning disco ball.

in un'enorme palla stroboscopica rotante.

Each individual mirror would collect light

Ogni specchietto catturerebbe la luce

that we could then combine together to make a picture.

che potremmo poi assemblare per creare un'immagine.

However, now let's say we remove most of those mirrors

Ora rimuoviamo la maggior parte di quegli specchietti

so only a few remained.

in modo che ne rimangano pochi.

We could still try to combine this information together,

Potremmo ancora provare ad assemblare le informazioni

ma otterremmo molte lacune.

but now there are a lot of holes.

Gli specchi rimanenti rappresentano le sedi dei telescopi,

These remaining mirrors represent the locations where we have telescopes.

This is an incredibly small number of measurements to make a picture from.

ed è una quantità estremamente ridotta da cui ricavare un'immagine.

But although we only collect light at a few telescope locations,

Ma anche se i telescopi fossero collocati in poche località,

as the Earth rotates, we get to see other new measurements.

mentre la Terra ruota, possiamo ottenere nuove misurazioni.

In other words, as the disco ball spins, those mirrors change locations

Mentre la palla stroboscopica gira, gli specchi cambiano posizione

and we get to observe different parts of the image.

e noi possiamo osservare parti diverse della stessa immagine.

The imaging algorithms we develop fill in the missing gaps of the disco ball

Gli algoritmi grafici rimediano alle lacune sulla palla stroboscopica

in order to reconstruct the underlying black hole image.

per ricostruire l'immagine sottostante del buco nero.

If we had telescopes located everywhere on the globe --

Se avessimo telescopi situati in ogni punto della Terra,

in other words, the entire disco ball --

ovvero, l'intera palla stroboscopica,

this would be trivial.

sarebbe semplicissimo.

However, we only see a few samples, and for that reason,

Tuttavia vediamo solo pochi campioni di dati e per questa ragione,

there are an infinite number of possible images

c'è un numero infinito di immagini possibili

that are perfectly consistent with our telescope measurements.

perfettamente coerenti con le misurazioni dei nostri telescopi.

However, not all images are created equal.

Tuttavia, non tutte le immagini sono create allo stesso modo.

Some of those images look more like what we think of as images than others.

Solo alcune immagini sembrano più simili a ciò che definiamo come immagine.

And so, my role in helping to take the first image of a black hole

Quindi il mio ruolo nel catturare la prima immagine di un buco nero

is to design algorithms that find the most reasonable image

è progettare algoritmi che trovino l'immagine più soddisfacente

that also fits the telescope measurements.

che sia anche compatibile con le misurazioni del telescopio.

Just as a forensic sketch artist uses limited descriptions

Proprio come un ritrattista forense usa descrizioni limitate

to piece together a picture using their knowledge of face structure,

per disegnare un viso sfruttando la propria conoscenza dei volti,

the imaging algorithms I develop use our limited telescope data

gli algoritmi grafici che sviluppo usano dati limitati del telescopio

to guide us to a picture that also looks like stuff in our universe.

per guidarci verso un'immagine simile ai corpi celesti del nostro universo.

Using these algorithms, we're able to piece together pictures

Usando questi algoritmi, siamo in grado di assemblare immagini

from this sparse, noisy data.

partendo da questi dati scarsi e confusi.

So here I show a sample reconstruction done using simulated data,

Vi mostro l'esempio di una semplice ricostruzione fatta con dati simulati,

when we pretend to point our telescopes

fingendo di puntare i nostri telescopi

to the black hole in the center of our galaxy.

verso il buco nero al centro della nostra galassia.

Although this is just a simulation, reconstruction such as this give us hope

Anche se si tratta di una simulazione, ricostruzioni come questa fanno sperare

that we'll soon be able to reliably take the first image of a black hole

che presto otterremo una prima immagine affidabile di un buco nero

and from it, determine the size of its ring.

e da essa determineremo le dimensioni del suo anello.

Although I'd love to go on about all the details of this algorithm,

Anche se mi piacerebbe dilungarmi sui dettagli di questo algoritmo,

luckily for you, I don't have the time.

siete fortunati, non ne ho il tempo.

But I'd still like to give you a brief idea

Ma vorrei comunque in breve darvi un'idea

of how we define what our universe looks like,

di come definiamo l'aspetto del nostro universo,

and how we use this to reconstruct and verify our results.

e come lo usiamo per ricostruire e verificare i nostri risultati.

Since there are an infinite number of possible images

Dato che c'è un numero infinito di immagini possibili

that perfectly explain our telescope measurements,

coerenti con le misurazioni dei nostri telescopi,

we have to choose between them in some way.

dobbiamo trovare il modo di sceglierne alcune

We do this by ranking the images

Lo facciamo classificando le immagini

based upon how likely they are to be the black hole image,

in base alla loro probabilità di essere quella del buco nero

and then choosing the one that's most likely.

e poi scegliamo quella che gli si avvicina di più.

So what do I mean by this exactly?

Che cosa intendo dire esattamente?

Let's say we were trying to make a model

Ipotizziamo di fare un modello matematico

that told us how likely an image were to appear on Facebook.

che ci dice quale foto ha più probabilità di apparire su Facebook.

We'd probably want the model to say

Vorremmo che tale modello dicesse

it's pretty unlikely that someone would post this noise image on the left,

che quasi nessuno userebbe l'immagine offuscata sulla sinistra

e probabilmente si preferisce mostrare un selfie

and pretty likely that someone would post a selfie

like this one on the right.

come questo sulla destra.

The image in the middle is blurry,

L'immagine al centro è sfuocata,

so even though it's more likely we'd see it on Facebook

perciò anche se è più probabile vederla su Facebook

compared to the noise image,

rispetto a quella offuscata,

it's probably less likely we'd see it compared to the selfie.

è meno probabile rispetto al selfie.

But when it comes to images from the black hole,

Ma quando parliamo di immagini di un buco nero

siamo di fronte a un vero enigma: non lo abbiamo mai visto prima d'ora.

we're posed with a real conundrum: we've never seen a black hole before.

In that case, what is a likely black hole image,

In questo caso, com'è l'immagine di un buco nero

e cosa potremmo dedurre sulla struttura dei buchi neri?

and what should we assume about the structure of black holes?

We could try to use images from simulations we've done,

Potremmo provare a usare immagini ricostruite,

like the image of the black hole from "Interstellar,"

come l'immagine del buco nero in "Interstellar",

ma se lo facessimo sorgerebbero seri problemi.

but if we did this, it could cause some serious problems.

What would happen if Einstein's theories didn't hold?

Che cosa accadrebbe se le teorie di Einstein non fossero veritiere?

We'd still want to reconstruct an accurate picture of what was going on.

Vorremmo comunque ricostruire un'immagine iniziale accurata.

If we bake Einstein's equations too much into our algorithms,

Se usassimo troppo le equazioni di Einstein nei nostri algoritmi,

we'll just end up seeing what we expect to see.

finiremmo col vedere quello che ci aspettiamo di vedere.

In other words, we want to leave the option open

Vogliamo lasciare aperta la possibilità

for there being a giant elephant at the center of our galaxy.

di un enorme elefante al centro della nostra galassia.

(Laughter)

(Risate)

Different types of images have very distinct features.

Diversi tipi di immagini hanno caratteristiche molto diverse.

We can easily tell the difference between black hole simulation images

È semplice distinguere fra le immagini simulate di un buco nero

and images we take every day here on Earth.

e le fotografie scattate ogni giorno qui sulla Terra.

We need a way to tell our algorithms what images look like

Dobbiamo dire ai nostri algoritmi quali immagini si assomigliano

without imposing one type of image's features too much.

senza imporre troppo le caratteristica di una sulle altre.

One way we can try to get around this

Un modo in cui possiamo provare a farlo

is by imposing the features of different kinds of images

è imporre le caratteristiche di immagini di diverso tipo

and seeing how the type of image we assume affects our reconstructions.

per capire come l'immagine ipotizzata influenzi le nostre ricostruzioni.

If all images' types produce a very similar-looking image,

Se tutti i tipi di immagini producono un'immagine simile

allora possiamo essere più sicuri

then we can start to become more confident

that the image assumptions we're making are not biasing this picture that much.

che le ipotesi che stiamo facendo non pregiudicano del tutto i risultati.

This is a little bit like giving the same description

È quasi come dare la stessa descrizione

to three different sketch artists from all around the world.

a tre diversi ritrattisti in diverse parti del mondo.

If they all produce a very similar-looking face,

Se tutti disegnano un volto simile,

then we can start to become confident

allora possiamo iniziare a pensare

that they're not imposing their own cultural biases on the drawings.

che nei loro disegni non impongono i propri pregiudizi culturali.

One way we can try to impose different image features

Un modo per provare a imporre caratteristiche diverse

is by using pieces of existing images.

è attraverso l'uso di pezzi di immagini esistenti.

So we take a large collection of images,

Prendiamo una grande raccolta di immagini

and we break them down into their little image patches.

che scomponiamo in piccoli frammenti.

Poi trattiamo quei frammenti come le tessere di un puzzle

We then can treat each image patch a little bit like pieces of a puzzle.

And we use commonly seen puzzle pieces to piece together an image

e usiamo tessere di puzzle comuni per formare un'immagine

that also fits our telescope measurements.

coerente con le misurazioni del nostro telescopio.

Different types of images have very distinctive sets of puzzle pieces.

Diversi tipi di immagine hanno tessere di puzzle altrettanto diverse.

So what happens when we take the same data

Allora cosa accade quando prendiamo gli stessi dati

but we use different sets of puzzle pieces to reconstruct the image?

ma usiamo diversi set di tessere per ricostruire l'immagine?

Let's first start with black hole image simulation puzzle pieces.

Iniziamo con le immagini simulate del buco nero ridotte a tessere di puzzle.

OK, this looks reasonable.

Questo mi sembra accettabile.

This looks like what we expect a black hole to look like.

È come ci aspetteremmo l'immagine un buco nero.

But did we just get it

Ma l'abbiamo ottenuta

because we just fed it little pieces of black hole simulation images?

solo perché abbiamo assemblato le tessere di un buco nero simulato?

Let's try another set of puzzle pieces

Proviamo con un altro set di tessere

from astronomical, non-black hole objects.

di oggetti astronomici che non siano buchi neri.

OK, we get a similar-looking image.

Otteniamo un'immagine simile.

And then how about pieces from everyday images,

E che dire di frammenti di immagini quotidiane

like the images you take with your own personal camera?

come le foto che scattiamo con la nostra fotocamera?

Great, we see the same image.

Fantastico! Vediamo la stessa immagine.

When we get the same image from all different sets of puzzle pieces,

Quando otteniamo la stessa immagine da set di tessere differenti

then we can start to become more confident

possiamo avere maggiore certezza

that the image assumptions we're making

che le nostre ipotesi sulle immagini

aren't biasing the final image we get too much.

non interferiscono troppo con il risultato finale.

Another thing we can do is take the same set of puzzle pieces,

Un'altra cosa che possiamo fare è prendere lo stesso set di tessere,

come le fotografie della vita quotidiana,

such as the ones derived from everyday images,

and use them to reconstruct many different kinds of source images.

e usarle per ricostruire diverse tipi di immagini originali.

So in our simulations,

Nelle nostre simulazioni

we pretend a black hole looks like astronomical non-black hole objects,

fingiamo che un buco nero assomigli a corpi astronomici diversi da buchi neri

as well as everyday images like the elephant in the center of our galaxy.

come le immagini comuni con l'elefante al centro della galassia.

When the results of our algorithms on the bottom look very similar

Quando i risultati dei nostri algoritmi appaiono molto simili

to the simulation's truth image on top,

all'immagine della simulazione in alto a sinistra,

then we can start to become more confident in our algorithms.

allora possiamo sentirci più certi dei nostri algoritmi.

And I really want to emphasize here

Vorrei davvero sottolineare

that all of these pictures were created

che tutte le immagine sono state create

by piecing together little pieces of everyday photographs,

assemblando frammenti di fotografie comuni,

like you'd take with your own personal camera.

come quelle che fate con la vostra fotocamera.

So an image of a black hole we've never seen before

Perciò l'immagine di un buco nero che non abbiamo mai visto prima

may eventually be created by piecing together pictures we see all the time

alla fine potrebbe essere creata assemblando le immagini comuni

of people, buildings, trees, cats and dogs.

di persone, edifici, alberi, cani e gatti.

Imaging ideas like this will make it possible for us

Formare immagini come questa ci renderà possibile

to take our very first pictures of a black hole,

scattare la prima fotografia di un buco nero,

and hopefully, verify those famous theories

e, si spera, verificare quelle famose teorie

on which scientists rely on a daily basis.

su cui gli scienziati si basano ogni giorno.

But of course, getting imaging ideas like this working

Ma ovviamente, formare queste immagini

would never have been possible without the amazing team of researchers

non sarebbe stato possibile senza un fantastico team di ricercatori

that I have the privilege to work with.

con cui ho il privilegio di lavorare.

It still amazes me

Mi stupisce tutt'ora,

that although I began this project with no background in astrophysics,

che benché abbia iniziato questo progetto senza basi di astrofisica,

what we have achieved through this unique collaboration

il risultato di questa collaborazione unica

potrebbe risultare nella prima immagine di un buco nero.

could result in the very first images of a black hole.

But big projects like the Event Horizon Telescope

Ma i grandi progetti come l'Event Horizon Telescope

are successful due to all the interdisciplinary expertise

hanno successo grazie alle conoscenze interdisciplinari

different people bring to the table.

che diversi esperti mettono in gioco.

We're a melting pot of astronomers,

Siamo un insieme di astronomi,

physicists, mathematicians and engineers.

fisici, matematici e ingegneri.

This is what will make it soon possible

Ed è questo che presto renderà possibile

to achieve something once thought impossible.

raggiungere un risultato che si credeva impossibile.

I'd like to encourage all of you to go out

Vorrei incoraggiarvi a farvi avanti

and help push the boundaries of science,

e aiutare ad ampliare i confini della scienza

even if it may at first seem as mysterious to you as a black hole.

anche se a prima vista può sembrare tanto misterioso quanto un buco nero.

Thank you.

Grazie.

(Applause)

(Applausi)