12 мая 2022 года на одновременных пресс-конференциях по всему миру астрономы представили первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь. Изображение было подготовлено глобальной исследовательской группой под названием Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration с использованием наблюдений из всемирной сети радиотелескопов.
Физики предсказывали изображение сверхмассивных объектов на компьютерах еще с 70-х годов при помощи математических моделей.
- Почему мы предсказали именно такое изображение?
- На сколько предсказание сбылось?
- Можно ли считать фото черной дыры доказательством существования черных дыр?
На эти вопросы нам помогла ответить научная статья Жана-Пьера Люмине "Иллюстрированная история визуализации черных дыр: личные воспоминания". Это очень красивая и самая романтичная научная статья из всех что я читал. Наверное, потому что Жан-Пьер - первый физик, нарисовавший тушью модель того как должна выглядеть черная дыра с тонким аккреционным диском. Личные теплота личных воспоминаний пробивается сквозь холодный формальный слог статьи.
Из чего состоит черная дыра?
Иллюстрации ниже составлены из фотографии Стрельца А* от Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration и кадра из фильма Интерстеллар, на котором показана свехмассивная черная дыра Гаргантюа.
Сингулярность
Когда физики рисуют какой-то объект, то любят указать на рисунке и центр масс. А в случае, когда масса переваливает за определённый порог (примерно три солнечные массы), она со временем сожмется в точку. Рисовать сингулярность таким образом очень удобно — центр масс это весь объект.
Все, что происходит вокруг сингулярности — отличный природный эксперимент, все аспекты которого были точнейшим образом предсказаны теорией относительности. Легко объяснить какой-то опыт из прошлого, а вот предсказать результат эксперимента будущего — вот настоящее величие физики! Однако, сама точка, в которой находится вся масса сколлапсировавшей звезды не подчиняется законам относительности. Для нее нужна квантовая теория гравитации, которая пока не завершена. Так что мы не знаем, как бы она выглядела, если бы можно было ее как-то рассмотреть. И нарисовать сингулярность тоже можно весьма условно.
Горизонт событий
Если бы сингулярности не было в природе, физикам стоило бы ее создать. Но, как и большинство самых интересных мест вселенной, сингулярность надежно скрыта от наблюдателя, в данном случае, горизонтом событий.
В проекции на фоне неба горизонт событий должен иметь вид идеально круглого черного диска, если черная дыра статична или слегка искаженного, если она вращается. Из-за сильного гравитационного линзирования голые черные дыры могли бы оставлять заметные отпечатки на поле зрения телескопов: черные круги с искажениями по краям. Однако размеры горизонтов событий слишком малы по сравнению с расстояниями между космическими объектами, поэтому рассмотреть одинокую черную дыру без газа вокруг затруднительно для современных методов.
Аккреционный диск
На расстоянии примерно в 2,6 раза больше горизонта событий начинается стабильная орбита яркого горящего газа. Аккреционный диск позволяет увидеть эффекты черной дыры на снимках. Область внутри стабильной орбиты неизбежно захватит материю, и та упадет в дыру, не успев испустить свет. Именно эту область называют «тенью черной дыры».
Если мы смотрим на диск фронтально, то логично увидим круг. А вот в Интерстелларе мы смотрели на Гаргантюа под углом к плоскости аккреции. При таком ракурсе мы должны видеть яркое кольцо, как вокруг Сатурна, только вокруг черной тени.
Свет от задней части аккреционного диска, которая скрыта от нас горизонтом событий, летит по криволинейной траектории, и у него, так же, как у материи, есть своя стабильная орбита, ниже которой шансы достичь удаленного наблюдателя невысоки.
Свет огибает черную дыру и доходит до нас со стороны, которая должна быть не видна. В результате, вокруг черного круга мы видим как первичное изображение (самого аккреционного диска), так и вторичное — заднюю часть диска мы видим одновременно сверху и снизу в виде светящегося кольца.
Вообще, между стабильными орбитами материи и света излучение, испущенное газовым диском, может совершать множество витков вокруг горизонта событий, как спутники, вращающиеся вокруг планет. Если бы удалось попасть туда, мы бы увидели бесчисленное множество вторичных изображений аккреционного диска со всех возможных ракурсов и из разного времени. Возможно, это самое поразительное зрелище во вселенной.
Интенсивность излучения диска зависит от его температуры, а температура зависит от расстояния до черной дыры. Поэтому собственная яркость диска не может быть однородной. Максимальная светимость исходит от внутренних областей, близких к горизонту событий, потому что именно там газ самый горячий.
Кроме того, изображение, воспринимаемое отдаленным наблюдателем, будет сдвинуто по частоте и интенсивности за счет двух эффектов:
- Эйнштейна, при котором гравитационное поле снижает частоту и интенсивность;
- Доплера, при котором свет движущегося на нас газа будет ярче и более синим, а отдаляющегося темнее и более красным.
Предполагается, что внутренние частицы аккреционного диска двигаются с субсветовыми скоростями, что делает эффект Доплера существенным. В результате мы должны увидеть явно ассиметричное изображение, что является главным признаком именно черной дыры на снимке. Большая, но не сингулярная масса темной материи не должна заставлять газ вращаться на околосветовой скорости.
Ручная симуляция Люмине поразительно похожа на модель Кипа Торна для интерстеллара, но не очень похожа на реальную фотографию Стрельца А*.
Дело в том, что модели показывают излучение широкого спектра волн. Наверное, так будет выглядеть черная дыра вблизи для путешественника галактического масштаба. Однако мы — очень далёкий наблюдатель, и для получения фото взяли только небольшой фрагмент спектра — миллиметровые радиоволны. До размера миллиметров вытянулись длины волн большей части спектра излучения аккреционного диска за счет эффектов Доплера и Эйнштейна. Убрав лишние спектры из воспринимаемого нами излучения, в 2017 году была получена модель в виде полумесяца, которая уже очень близка к реальной фотографии.
Увидим ли мы то же самое вживую?
Коротко — нет. Взгляд на видимую область вокруг черной дыры подобен взгляду на Солнце — без фильтров и коронографов взглянуть на него можно лишь дважды. Цвета, использованные в фотографии и симуляциях, показывают физические эффекты, но не реалистичное видимое изображение. Облако газа недостаточно оптически прозрачно, чтобы наш глаз напрямую мог рассмотреть что-то, кроме яркого пятна. Да и условия для человека рядом с таким объектом не самые благоприятные.
В общем, хорошо, что мы можем прикоснуться к величественному и опасному лишь силой своего разума. Для более полного опыта таких прикосновений есть, например, студенческий проект Эндрю Гамильтона из института Колорадо. На сайте выкладываются актуальные реалистичные симуляции путешествия в черную дыру.
Доказывает ли фото существование черных дыр?
Черная дыра - парадоксальный гипотетический объект. Возможность получить его изображение очень хороша как для ученых, так и для обывателей. Однако, оно не раскрывает всех заложенных в концепцию деталей. Наверняка, можно предложить физическую модель без сингулярности, которая сформирует похожее изображение.
Кроме того, данные радиоинтерферометрии сложны для анализа. Программа, которая строит изображение исходя из числовых данных приборов может быть не точна. Такой версии придерживаются исследователи Национальной астрономической обсерватории Японии. По словам астронома Миёси Микато:
Мы предполагаем, что изображение кольца было результатом ошибок во время анализа визуализации EHT, и что его часть была артефактом, а не фактической астрономической структурой.
Таким образом, даже наглядная фотография - обоснованное, но предположение на счет внешнего вида того что в центре нашей галактики. Является ли это черной дырой - пока что открыть вопрос в физике.
Впрочем, астрономы из EHT предполагают, что изображения черных дыр можно сделать на 50% четче, чем предыдущие наблюдения. Будем надеяться, что это у них получится в обозримом будущем.
Что посмотреть по этой теме?
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал