В апреле 2019 года мировые СМИ обошло первое изображение чёрной дыры. Однако читателей, избалованных красочными космическими фото, мутный оранжевый «бублик» не особо впечатлил. Почему огромные телескопы не засняли чёрную дыру раньше? Фокус в том, что никакой из них «увидеть» её не может в принципе!
«ВИДИМ» НЕВИДИМОЕ
А как же фотография «бублика»? Это и не фотография в привычном смысле слова. Начнём с того, что космос вовсе не безмолвен, а, говоря языком музыки, полифоничен. Информацию обо всём происходящем в глубинах Вселенной несут гравитационные волны и электромагнитное излучение. Но принять (увидеть) излучение, даже используя гигантские телескопы, мы можем только в узкой полоске видимого спектра в диапазоне от 380 до 750 нм.
Полный диапазон электромагнитного излучения несравненно шире и несёт информации ничуть не меньше, чем видимый свет. На одном фланге — радиоволны длиной от десятков километров до нескольких миллиметров, а на другом — жёсткое (рентгеновское и гамма) излучение с длиной волны порядка размеров элементарных частиц. Стремление узнать как можно больше привело к появлению и бурному развитию астрономии иных, отличных от оптического, диапазонов.
КОСМИЧЕСКИЙ ПЫЛЕСОС
Главные особенности чёрных дыр — огромная масса и крошечные по космическим меркам габариты. Для превращения Солнца в чёрную дыру его надо сжать до шарика диаметром 3 км! Только тогда свет, удерживаемый чудовищной гравитацией, не сможет покинуть поверхность. А всё, что приблизится к области, ограниченной гравитационным радиусом, безвозвратно исчезнет.
Небольшие чёрные дыры — это остатки звёзд с массой более 20 масс Солнца, закончивших видимый путь как сверхновые, а затем «провалившиеся» внутрь себя. А вот с гигантскими чёрными дырами, в 100 тысяч раз более массивными, чем Солнце, пока неясно: то ли они «слиплись» из малых чёрных дыр, то ли сверхтяжёлые чёрные дыры — необходимый атрибут существования галактик. Наш Млечный Путь не исключение: всего в 26 тысячах световых лет от нас находится чёрная дыра с массой, более чем в 4 млн раз превышающей солнечную! Но размер её невелик, она всего в 20 раз больше Солнца. Обнаружить чёрные дыры можно только косвенно: они, как пылесос, притягивают вещество из окружающего пространства, разгоняя пыль и газ по спирали до околосветовых скоростей.
ТЕНИ НЕВИДИМОК
Чёрную дыру окружает диск горячей светящейся плазмы, а значит, можно увидеть её силуэт. Нечто подобное происходит при солнечных затмениях — условно говоря, роль чёрной дыры выполняет Луна. Размер силуэта больше горизонта событий. На расстоянии примерно 1,5 радиуса Шварцшильда фотоны, пойманные мощным тяготением, движутся по круговой траектории.
Всё, что ближе, поглощается чёрной дырой, а другие фотоны начинают долгое путешествие по Вселенной — именно они доносят до нас образ светящегося кольца, окружающего силуэт чёрной дыры.
Таким образом, теоретически можно увидеть чёрную дыру как тёмный круг на фоне яркого диска, окружённый сияющим фотонным кольцом. Проблема — в исключительной малости объектов. Так, угловой диаметр шварцшильдовской сферы чёрной дыры Стрелец A* в центре Млечного Пути оценивается в 10 миллионных долей секунды, а у M87 — на треть меньше! Это на пять-шесть порядков ниже, чем могут обеспечить самые лучшие телескопы.
Одна из важнейших характеристик наблюдательного прибора — разрешение, минимальный угол, под которым ещё можно различить объект. Измеряют разрешение в радианах и градусах, а также долях градуса — минутах и секундах. Практический предел разрешения телескопа — 1 угловая секунда. Телескопы теоретически способны разглядеть футбольный мяч на Луне. Но 1-секундный предел никуда не делся. Дело в атмосфере, вечно неспокойной. Она «размывает» лучи света, не давая им собраться в ясно очерченный кружок.
К счастью, вещество, попавшее в плен к чёрной дыре, испускает не только видимый свет, но и «сияет» в рентгеновском и гамма-диапазонах, в ультрафиолете, в инфракрасной части спектра и в радиодиапазоне. И «разглядеть» чёрную дыру можно радиоволнами в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м (ионосфера Земли отражает в космос всё излучение длиннее 30 м, а излучение короче 1 мм «съедается» молекулами газов атмосферы). К тому же у радиоастрономов есть инструменты с фантастической разрешающей способностью — интерферометры!
РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Электромагнитная волна, падающая на зеркало, отражается от его разных частей и собирается в одной точке — фокусе. Так как отражения от середины и от краёв антенны — «эхо» одной и той же исходной волны, то они имеют одинаковую фазу (синфазны). А если сигнал будет приходить от другого телескопа, расстояние до которого известно? Тогда в приёмнике надо будет просто учесть соответствующую задержку. Эту идею воплотил в 1946 Мартин Райл, создавший первый в мире радиоинтерферометр.
Его изобретение придало науке сильнейший импульс. Повсеместно строились интерферометры, состоящие из десятков, сотен и даже тысяч антенн.
У таких систем разрешение определяется не диаметром антенны, а базой — расстоянием между работающими радиотелескопами. Пожалуй, самым известным радиоинтерферометром такого типа можно считать «Очень большую решётку» (Сокорро, штат Нью-Мексико, США). 27 параболических 25-метровых антенн могут удаляться от центра на 21 км, составляя эквивалентное зеркало диаметром 36 км и обеспечивая разрешение до 0,04 секунды.
А можно увеличить базу ещё больше? В 1965 году советские учёные предложили метод, названный позже радиоинтерферометрией со сверхдлинными базами: телескопы, удалённые друг от друга на сотни и тысячи километров, работают самостоятельно, а полученные данные затем «интерферируют» на компьютере. Эксперименты, проведённые в рамках программы «Сеть дальней космической связи NASA», показали: интерферометр, построенный на базе радиотелескопов в Калифорнии (США), Испании и Австралии, способен обеспечить разрешение чуть больше 0,00020'' (под таким углом видно футбольное поле на поверхности Солнца!). Ещё перспективней выглядели результаты опытов с радиотелескопом, вынесенным в космос. Удалось добиться разрешения 0,00008''!
ЛОВИМ ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ
Вдохновитель проекта «Телескоп горизонта событий» (EHT — Event Horizon Telescope) астрофизик Шеп Доулман из Массачусетского технологического института был одержим идеей «сфотографировать» чёрную дыру ещё с 1995 года. Практическая реализация проекта потребовала более двадцати лет напряжённой работы.
В 2007 году команда Доулмана приступила к проверке методик, положенных в основу проекта EHT. Базой стали телескопы в Хэйстеке, Аризоне и на Гавайях. В течение нескольких дней установки сканировали центр нашей галактики, источник Стрелец A*. Исследователь из Хэйстека, вспоминает: «У нас не было нужного числа радиотелескопов, чтобы сделать изображение. Но мы могли видеть, что там было что-то подходящее». Тестирование показало, что проект EHT на верном пути. Но потребовались ещё годы работы, прежде чем был получен зримый в буквальном смысле результат. О масштабе проекта можно судить хотя бы по расходам на подготовку — они составили $290 млн!
НАГРАДА
5 апреля 2017 года восемь радиотелескопов, разбросанных на всех континентах, включая Антарктиду, начали наблюдения за ядром галактики M87. М87 видна и из Северного, и из Южного полушария Земли — а значит одновременно может работать больше телескопов. Ежедневно установки принимали на специальные регистраторы по 350 терабайт данных, а за четверо суток наблюдений накопился огромный массив данных объёмом свыше 12 петабайт!
Разрешение ЕНТ составило примерно 20 миллионных долей угловой секунды. Под таким углом видна зажигалка, оставленная на Луне! И на сегодня это наивысший результат, достижимый для астрономических инструментов даже планетарного масштаба. А ставший знаменитым оранжевый «бублик» показал: наши представления о чёрных дырах, удивительных объектах Вселенной, в основном правильны!
В мае 2022 года астрономы получили изображение объекта Стрелец А* в созвездии Стрельца, чёрной дыры в центре нашей галактики. Её масса в 4 млн раз превышает солнечную, а диаметр сравним с размером орбиты Меркурия. Она удалена от Земли на 27 тыс. световых лет.
Еще больше о развитии космоса и современных исследованиях в других науках читай в научно-популярном журнале "ДУМАЙ"https://dum.ai/?utm_source=dzen1
Наш канал в телеграм https://t.me/dumai_russia
Наше сообщество в ВК https://vk.com/dumai_russi
По материалам статьи Александра Кима, журнал "Думай", выпуск №53