10 апреля 2019 года команда исследователей, работающих на одном из самых амбициозных проектов по наблюдению небесных тел — Event Horizon Telescope (Телескоп Горизонта Событий, далее EHT ) опубликовала первое в истории изображение сверхмасивной черной дыры, находящейся в центре сверхгигантской эллиптической галактики Messer 87 (M87).
И похоже, это стало самым громким событием этого года в астрономии, а в Google даже создали специальную заставку на главной странице, посвященную этой новости:
В этой заметке попытаемся вкратце разобраться, почему это является таким важным прорывом в астрономии и зачем вообще нужно уметь наблюдать за черными дырами.
Лирическое отступление
Черные дыры это одни из самых загадочных объектов во вселенной, обладающие огромной массой, сжатой в невообразимо-микроскопическом объеме. Например, чтобы Земля стала черной дырой её необходимо сжать в шарик с радиусом менее 8,8 миллиметров. При этом описать черную дыру достаточно просто, вся необходимая информация, которая потребуется для этого это — масса, заряд и угловой момент. Можно пофантазировать и представить как при гипотетическом сжатии Земли в черную дыру, весь огромный объем накопленной информации все знания, история, культура, сложная структура поверхности, рельефы гор и все что мы еще знаем о планете, все это, коллапсирует всего в три числа — и это поистине удивительно.
Самые надежные современные теории — общая теория относительности и квантовая теория, не могут пока дать точного описания процессов, которые происходят за горизонтом событий черных дыр. Открытыми на данный момент остается множество вопросов — исчезает ли информация при попадании в черную дыру, уменьшается ли общая энтропия системы содержащей черную дыру. Все эти вопросы представляют серьезный вызов для физиков и по всей видимости будут разрешены в рамках теории, которая сможет наконец объединить теорию гравитации и квантовую теорию и над которой бьются лучшие умы уже на протяжении более полувека. Конечно, непосредственное наблюдение черных дыр может дать бесценные подсказки на пути построения этой новой «теории всего», но тут мы сталкиваемся с определенными проблемами о которых поговорим ниже.
Рождение Черной дыры
Для начала давайте разберемся что же мы собственно хотим наблюдать. По современным представлениям астрофизиков, наиболее распространенный путь формирования черных дыр, на данном этапе эволюции вселенной, это гравитационный коллапс ядра звезды. После того, как термоядерные реакции внутри звезды затухают, атомы вещества в её ядре под действием гравитации уплотняются до такой степени, что преодолевают даже сопротивление электронов дальнейшему сближению в следствии чего они как бы вдавливаются в протоны образуя один сплошной сгусток нейтронов, в результате этого процесса выделяется колоссальное количество энергии, а светимость звезды в момент вспышки может увеличиваться в миллиарды раз, в этот момент звезда может стать ярче чем вся галактика.
Внешние оболочки взорвавшихся сверхновых звезд разлетаются со скоростью около 30 000 км/с, впоследствии образуя туманности причудливых форм.
В том случае если масса нейтронного ядра, после взрыва сверхновой составляет более 3-4 масс солнца, то гравитация оказывается настолько сильной, что ей не может препятствовать даже давление нейтронного вещества и материя коллапсирует в точку в центре, которую мы называем черной дырой. Гравитационное притяжение, на определенном расстоянии вокруг этой точки становится настолько сильным, что любой объект оказавшийся в пределах этого расстояния, уже не сможет от нее оторваться и неизбежно будет притянут к ее центру. Такая зона пространства вокруг сколлапсировавшего объекта называется горизонтом событий и что самое удивительное даже свет попавший в зону горизонта событий так же «притягивается» черной дырой. А удивительно это потому, что фотоны света и не имеют массы и следовательно не взаимодействуют гравитационно, но согласно ОТО свет отклоняется от своей траектории, проходя мимо массивного объекта, так как само пространство-время вокруг такого объекта искривляется, а массивный объект с бесконечно маленьким объемом создает бесконечную кривизну, образуя разрыв самой ткани пространства-времени или сингулярность, в которую и затягивается свет как в воронку.
Черная кошка в темной комнате
Как мы уже поняли черные дыры не очень-то любят позировать перед камерами, основных причин тут две — первая, это крайне маленький объем занимаемый в пространстве который определяется радиусом горизонта событий, например если бы солнце стало черной дырой то радиус горизонта событий для него был бы всего около 2 950 км, вторая причина состоит в том, что черная дыра при этом еще и ничего не излучает. А обнаружить черный, маленький объект в бескрайней темноте космического пространства задача совсем не из легких.
Но не все черные дыры такие скромницы. Еще в середине прошлого века внимание радио-астрономов привлекли удивительные объекты, на первый взгляд это были обычные звезды, но спектр их излучения не был похож не на одну ранее наблюдавшуюся звезду. Эту загадку решил Мартин Шмидт, показав, что на самом деле спектр излучения таких объектов представляет собой спектр излучения обычного газа, но очень сильно растянутый. Такое растягивание спектра излучения возможно, когда источник излучения удаляется от наблюдателя и чем больше скорость удаления, тем сильнее смещается спектр.
Поняв это, радио-астрономы удивились еще сильнее, ведь учитывая такое большое смещение спектра и согласно закону Хаббла, получалось, что эти объекты находятся на огромном расстоянии от земли — в несколько миллиардов световых лет. А что бы яркость объекта, находящегося так далеко, была сопоставима с яркостью ближайших звезд, эти объекты должны излучать в тысячи миллиардов раз сильнее, такое излучение сопоставимо с излучением сразу сотни средних галактик. Стало понятно что ни одна звезда на такое не способна и такие объекты получили названия квази-звездных объектов или Квазаров.
Позже, разрешение телескопов стало гораздо точнее и были открыты уже тысячи Квазаров, а вокруг них разглядели звездные скопления. Так пришло понимание, что Квазары на самом деле являются активными ядрами очень далеких галактик, а переменный характер их излучения позволил оценить их размеры центрального объекта который должен быть очень компактным порядка от нескольких световых минут, что сопоставимо с размерами солнечной системы. И по всем расчетам, на роль центрального объекта Квазаров должны идеально подходить сверх-массивные черные дыры с массами в миллиарды раз превышающими массу солнца. Окружающее вещество будет неизбежно захватываться чудовищной гравитацией такого объекта, а скорость падения вещества к центру будет настолько быстрой, что в процессе ускорения оно будет будет разогреваться до миллиардов градусов и закручиваясь по спирали, часть этого вещества будет выстреливаться в окружающее пространство в виде плазмы состоящей из электронов, движущихся со скоростями близкими к скорости света.
И конечно, наблюдать такую огромную черную черную дыру, да еще в момент поглощения окружающего вещества уже становится намного реальнее. Идеальным кандидатом для первого непосредственного наблюдения стала черная дыра в центре галактики M87 и не случайно, ведь она является не только одной из самых крупных известных галактик,расположенных к тому же неподалеку, в местном скоплении, но и содержит одну из самых крупных известных сверхмассивных черных дыр, масса которой около 6,5 миллиардов масс солнца. Радиус горизонта событий черной дыры такой массы так же впечатляет - 104 миллиарда километров, что бы пройти такое расстояние свету потребуется около 4 дней (напомним, что аналогичный радиус для черной дыры с массой Земли будет всего 8,8 мм )
Но чтобы разглядеть объект с радиусом горизонта событий, даже такой огромной черной дыры, с расстояния в 55 миллионов световых лет, вам потребуется телескоп размером примерно равным размеру Земли. Конечно, построить такой большой телескоп мы не можем. И подумав, астрономы поняли, что если объединить в одну сеть самые мощные телескопы находящиеся в разных точках земного шара то можно добиться похожего результата. Так появился проект Event Horizon Telescope, объединивший под своим началом более 200 исследователей со всего мира.
В видео ниже, вдохновенный рассказ от Katie Bouman — одной из научных сотрудниц этого проекта, о том, каким образом они планируют получить изображение черной дыры, видео было снято на конференции TED еще за два года до того как изображение действительно было получено (в видео доступны русские субтитры).
Если коротко, то задумка сработала. телескопы расположенные в разных точках по всему миру были синхронизированны в единую сеть с помощью супер точных атомных часов. Наблюдения проводились 4 дня в апреле 2017 года, еще два года ушло на восстановление изображения из полученных данных и многократные проверки. И 10 апреля состоялась конференция на которой научная группа EHT объявила о результатах, а так же появилась публикация в которой подробно описан метод и процесс получения изображения ( https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0ec7 ).
Важно понимать, что изображение черной дыры представленное учеными, является по большей части восстановленным с помощью очень точных алгоритмов, которые дают хорошее, но только приближенное представление о истинном виде объекта. Так же стоит отметить что данные изображения получены в радиодиапазоне частот и поскольку человеческий глаз не может воспринимать информацию в этом диапазоне, то цвет изображения выбран произвольно и соответствует температуре окружающего черную дыру вещества, тем не менее это действительно впечатляющий результат, дающий возможность наблюдать удаленные объекты с беспрецендентным разрешением, которое сами участники проекта сравнивают с возможностью наблюдать апельсин на поверхности луны. А следующей целью на очереди у исследователей стало получение изображения сверхмассивной черной дыры Sagittarius A* которая находится в центре нашей собственной галактики .
Вся эта история вдохновляющий пример того, как люди из разных стран, объединившись и действуя сообща, могут преодолеть любые препятствия и добиться удивительных результатов.
И в завершение предлагаю посмотреть видео, опубликованное на канале телескопа Хаббл в на Youtube (Hubble Space Telescope) в котором наглядно показан процесс приближения к изображению черной дыры в центре М87 начиная с самых первых снимков полученных в видимом диапазоне, по сравнению с которыми, разрешение изображения полученного коммандой EHT увеличилось более чем в 2500 раз.
Надеюсь, что из этой статьи вы узнали что-то новое для себя, спасибо за внимание!