Фотография черной дыры: что на самом деле сфотографировали ученые

Подробнее читайте на сайте «Теории и Практики»

Согласно опросам детей в школах и людей, которые приходят на научно-популярные мероприятия, наиболее частой темой, которая их интересует, являются черные дыры. Неудивительно, что фотография черной дыры всполошила мировую общественность весной прошлого года — событие сразу же записали в историческое и важное в мировом масштабе. Публикуем конспект лекции астрофизика Юрия Ковалева, прошедшей в рамках фестиваля Pint of Science, в которой он рассказывает, чем на самом деле является упомянутая фотография и что она значит для науки.

#note1 {display: none;} #note2 {display: none;} #note3 {display: none;} .block { background: #f5f5f5; border: 0px ; text-align: left; width: 300px; z-index: 1; padding: 10px; font-family: sans-serif; font-size: small; } .spoiler > .block {display: none; position: absolute;} .spoiler > input:checked + .block {display: block;} label {font-size: small; vertical-align: super;} label:hover {cursor: pointer; text-shadow: 1px 1px 2px #f5f5f5, 0 0 1em #f5f5f5; } .marker { background: #FFE3E0; background: linear-gradient(180deg,rgba(255,255,255,0) 45%, #FFE3E0 55%); }

Юрий Ковалев

Руководитель лаборатории в Физическом институте им. П.Н. Лебедева и Московском физико-техническом институте, лауреат премий имени Ф.А. Бредихина и Вильгельма Бесселя, член-корреспондент РАН

Самостоятельно сделать снимок черной дыры может каждый: для этого нужно купить стаут,❓Темный элевый сорт пива, приготовленный с использованием жженого солода. желательно, чтобы пена была не очень объемная и долго держалась, налить его в бокал, засунуть палец по центру бокала, быстро вынуть, сфотографировать. В результате у вас должна получиться прекрасная фотография черной дыры (только палец вынимайте быстрее) — ученым же для этого потребовалась пара десятков лет.

Что такое черная дыра

Начнем с теории. Мы знаем, что объекту, например человеку или ракете, для того чтобы покинуть планету Земля и улететь, скажем, на Марс, нужно стартовать с поверхности со второй космической скоростью, которую очень легко посчитать по формуле V2 = 2GM/R. То есть все, что нам нужно знать для расчетов, это массу (M) и радиус объекта (R), не забудем уточнить в справочнике и величину гравитационной постоянной (G). Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с.

Черная дыра — это объект, вторая космическая скорость которого равна или больше скорости света, это настолько массивный и компактный объект, что с него ничто не может улететь, включая фотоны, частицы света

Ученые уже сто лет пытаются проверить общую теорию относительности Эйнштейна и, в частности, постулаты, лежащие в ее основе. Один из них, который знают абсолютно все, это постулат о скорости света, согласно которому скорость света в вакууме — это максимальная скорость, которую можно достичь в нашей Вселенной. Так что, если у вас есть объект, достаточно массивный и достаточно компактный, он будет черной дырой. Почему черной? Потому что, напоминаю, с него ничего не может улететь, в том числе свет, который в норме показал бы черную дыру во всей красе.

Чтобы узнать размер черной дыры, можно использовать формулу второй космической скорости, заменив V2 на c2 (скорость света в квадрате). Размер черной дыры Rg определяет горизонт событий. Он находится на расстоянии от центра, где вторая космическая скорость равна скорости света, — это расстояние называется гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда, и вычисляется по формуле Rg=2GM/с2.

Чтобы вы представили себе, насколько это большие объекты, давайте сделаем черную дыру из чего-то знакомого, например из Земли. Если мы сожмем Землю, гравитационный радиус для черной дыры, которую мы из нее сделали, будет равен 9 миллиметрам. Если мы сожмем Солнце, сделав из него черную дыру, черная дыра с массой как наше Солнце будет иметь диаметр 6 километров. Под этими тремя километрами гравитационного радиуса ничего нельзя будет увидеть.

Расположение черных дыр

Ученые считают, что массивные черные дыры находятся в центрах других далеких галактик, а также в центре нашей Галактики. Вокруг центра активной галактики располагается диск из пыли и газа, и из внутренних областей этого диска вещество «падает» на черную дыру, в центр. При этом около 10% этого вещества выбрасывается наружу в виде узких горячих джетов. Вместе с веществом на центральную сверхмассивную черную дыру также «падает» и магнитное поле, которое накапливается в «пружину». Электромагнитная пружина в состоянии вытолкнуть наружу материю и даже ускорить ее до скоростей, очень близких к скорости света. Из этих разогнанных струй астрономы могут наблюдать излучение электронов.

Как сделали фотографию черной дыры

Из школьного курса физической оптики мы знаем, что мельчайшие детали, которые любое одиночное оптическое или радиозеркало может различить на небе (самый мелкий масштаб), определяют следующей формулой — λ / D (длина волны наблюдения, разделенная на диаметр зеркала). Но поскольку в радиоастрономии работают с длинными волнами, что бы радиоастрономы ни наблюдали на небе с телескопом, для них все выглядит как точка.

Тем не менее более полувека назад советские радиоастрономы Леонид Матвеенко, Николай Кардашев и Геннадий Шоломицкий презентовали идею, которая называется радиоинтерферометр со сверхдлинной базой. Они предложили собрать вместе много радиотелескопов, расставить их в разных уголках планеты Земля — или даже запустить в космос — и использовать как единую систему. При этом уже упомянутая ранее формула будет выглядеть не как λ / D, а как длина волны, разделенная на расстояние между телескопами: λ / B! Фактически при использовании интерферометра у такой системы образуется высочайшее угловое разрешение, самое высокое в астрономии.

Оптический космический телескоп «Хаббл» имеет угловое разрешение 50 миллисекунд дуги, а изображение тени черной дыры имеет размер в тысячу раз меньше, чем возможности «Хаббла»! Что-то подобное можно сделать и с инфракрасными телескопами, правда, есть сложность в синхронизации, поэтому в инфракрасном диапазоне эту технологию пока не удается довести до желаемого уровня чувствительности.

Тем не менее все мы пользуемся услугами интерферометров ежедневно. В частности, с помощью радиоинтерферометров можно использовать галактики, которые находятся очень далеко, как реперные точки, своего рода гвозди, прибитые к небу, относительно которых можно измерять координаты на Земле. Например, определять параметры вращения Земли и то, как в результате нутации двигается по небу ось вращения планеты. Эта информация необходима для работы систем глобального позиционирования ГЛОНАСС, GPS, и измерения проводятся практически каждый день.

Интерферометру можно придать больше разрешающей силы, уменьшив длину волны λ. Наши коллеги, для того чтобы получить изображение тени черной дыры, уменьшили длину волны наблюдений до 1,3 мм. На коротких длинах волн плазма, которая окружает черную дыру в центрах галактик, становится более прозрачной, и благодаря этому ученые могут разглядеть, что происходит в центре. Чтобы получить такую возможность, ученые работали долгие годы, и в результате угловое разрешение системы оказалось достаточным, чтобы увидеть на изображении тень черной дыры.

О «фотографии черной дыры»

«Фотография черной дыры» представляет собой светящееся кольцо вокруг горизонта событий черной дыры, и для того чтобы его увидеть, нужно иметь экстремальное угловое разрешение. Ни один телескоп, который вы когда-либо видели в своей жизни, не в состоянии иметь настолько высокое угловое разрешение, чтобы различить мельчайшие детали таких объектов. Для этого понадобилась целая система — интерферометр.

Итак, то, что получили ученые, — это не фотография, а восстановленное сложными математическими методами по данным наблюдений интерферометра светящееся фотонное кольцо вокруг центральной черной дыры в галактике Дева А

Увидеть саму черную дыру невозможно: она черная, она поглощает весь свет, который излучается вокруг нее, поэтому мы просто видим кольцо из света, который генерирует диск материи, окружающий черную дыру. Система, получившая в результате астрономических наблюдений необходимые данные, чтобы визуализировать черную дыру, называется The Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»). Она состоит из восьми антенн, наиболее важная из которых под именем ALMA находится в Чили на высоте пяти километров над уровнем моря. Она самая большая и, соответственно, самая чувствительная.

То, что измеряет интерферометр, — это не фотография. Это очень хитрые величины, которые позволяют ученым восстановить изображение черной дыры. Представьте, что я строитель, который создает гигантский телескоп размером с планету Земля, и все, что я сделал, — это выстроил каркас и пока не проложил по нему зеркала. Фактически каждая подобная пара телескопов позволяет мне положить на каркас несколько новых зеркал. И чем больше таких пар телескопов участвует в моей системе интерферометра, тем плотнее я заполняю каркас зеркалами и тем больше результатов измерений более высокого качества я получаю, чтобы восстановить изображение исследуемого космического объекта.

Для того чтобы улучшить качество получаемой картинки, можно применить два подхода. Первый — построить больше телескопов. Второй — вращать Землю. Ученые пока что делают акцент на втором методе, потому что Земля и так вращается — мы к этому даже сил не прикладываем, — а телескопы стоят дорого. Именно таким образом все лучше и лучше заполняется зеркалами наш пустой каркас, все качественнее и качественнее восстанавливается изображение тени черной дыры.❓Для тех, кто имеет техническое образование, поясню: интерферометр измеряет небольшие количества параметров Фурье-спектра, а астрономы восстанавливают изображения на основе ограниченного количества его измеренных гармоник.

Как визуализировали данные интерферометра

Ученые, которые занимались исследованием черной дыры, разработали разные способы восстановления ее изображения. Для проверки правильности своего результата они также придумали следующее: разделили команду внутри коллаборации «Телескопа горизонта событий» на несколько групп, которые восстанавливали изображение по полученным измерениям втайне друг от друга — разными методами и с запретом на общение между группами. Когда работа была закончена, все ученые встретились и сравнили результаты. Они увидели, что все изображения совпали с точностью выше 90%, поэтому уверенность в том, что изображения восстановлены правильно и корректно, не эмпирическая, а вполне реальная.

Почему ученые считают, что на «фото» — черная дыра? Из измерений размера тени можно оценить массу черный дыры в изучаемой галактике Дева А. Это одна из самых активных близких к нам галактик с ярко излучающим центром. Масса оказалась равна примерно 6 миллиардам масс Солнца, что совпало с независимыми оценками, которые были сделаны в течение последних 10–20 лет с помощью совсем других методов. То есть размер тени оказался строго таким, как и ожидалось. По большому счету это является, наверное, основным аргументом в пользу того, что темное пятно с ореолом — это именно тень черной дыры.

Однако интересных для нас параметров черной дыры — например, с какой скоростью она вращается или каковы характеристики диска вокруг нее, который «скармливает» в дыру пыль и газ — получить пока не удается.

О черной дыре в центре галактики Млечный Путь

Чтобы случился прорыв в нашем понимании черных дыр, необходимо исследовать черную дыру в центре нашей Галактики, потому что именно ее массу мы знаем с высокой точностью.❓В 2020 году как раз за точное измерение массы центрального компактного объекта в нашей Галактике была дана половина Нобелевской премии по физике.

Центр нашей Галактики — это созвездие Стрельца (по латыни Sagittarius), а компактный объект в центре уже самого созвездия называется Sgr A*. Вокруг него можно видеть движение звезд и измерять параметры их орбит, а дальше на помощь снова приходит школьный курс физики, а точнее, обобщенные законы Кеплера: зная параметры орбиты, период обращения движения звезды по орбите и размеры орбит, можно измерить массу черной дыры.

Что, конечно же, и было сделано, поэтому нам с высочайшей точностью известна масса черной дыры в центре Млечного Пути — речь идет о массе, соответствующей «всего» 4 миллионам масс Солнца. И это немного. Например, размер горизонта событий для Девы А (откуда получено обсуждаемое изображение) равен примерно полутора световых дней. Соответственно, размер горизонта событий для черной дыры в центре нашей Галактики должен быть в тысячу раз меньше: она маленькая, и из-за этого ореол вокруг нее постоянно меняет свой облик.

Трудность с получением изображения черной дыры в центре нашей Галактики можно сравнить с трудностями родителей, которые пытаются сфотографировать своего гиперактивного ребенка. Он постоянно вертится, его изображение меняется — то же самое происходит и в центре нашей Галактики. В дополнение к этому работает хитрый эффект рассеивания излучения, который был открыт нами недавно на «Радиоастроне». Рассеивание происходит на облаке межзвездной плазмы, которое находится посередине между Землей и центром нашей Галактики. Облако представляет собой свободные электроны в турбулентном облаке.

Сейчас между российскими, европейскими и американскими группами ученых готовится и активно обсуждается проект наземного космического интерферометра, который будет работать на миллиметровых длинах волн. С его помощью, как предполагается, удастся получить изображение тени от черной дыры в центре Млечного Пути намного быстрее. Мы рассчитываем на российский «Миллиметрон».

Что дальше? Зачем ученым черная дыра в центре Млечного пути? Мы знаем точно массу и расстояние до Sgr A*, поэтому планируем проверить общую теорию относительности Эйнштейна в сильном гравитационном поле этой черной дыры. Теория относительности проверяется уже сто лет, и пока ее предсказания соответствуют результатам всех экспериментов. Настало время развивать ее дальше.

Читайте так же на сайте «Теории и Практики»: