Малышев Александр Игоревич, к.ф.-м.н., доцент, декан физического факультета
Безжалостные пожиратели звезд, космические убийцы-невидимки, опасные воронки в ткани пространства-времени – это и многое другое можно услышать или прочитать о черных дырах в сети Интернет. Насколько эти эпитеты близки к истине? Попробуем в этом разобраться. Отдельно попробуем осветить вопрос о темной стороне черной дыры – ее тени, а заодно поймем, насколько эти самые дыры невидимы.
Вообще, история черных дыр начинается довольно давно – в конце XVIII века, когда два ученых – Джон Митчелл и Пьер Лаплас – независимо друг от друга предположили существование во Вселенной настолько массивных звезд, что они притягивают собственный свет и не дают ему распространяться. Очевидно, такие звезды для внешнего наблюдателя будут темными, рассуждали они, и оттого невидимыми. Ученые так и назвали их – «темные звезды».
Спустя чуть более ста лет значимость подобных объектов для науки многократно возросла. А все из-за появления специальной теории относительности. Один из ее постулатов прямо говорит о том, что скорость света есть максимальная скорость распространения взаимодействий, т.е. быстрее света ничего не может быть. Стало ясно, что если уж свет не может покинуть поле тяготения темных звезд, то вообще ничто не сможет этого сделать.
Прошло еще десять лет, и к 1915 году обрела свой завершенный вид общая теория относительности (ОТО), которая заставила всех по-новому взглянуть на гравитацию. В рамках этой теории уже в 1916 году К. Шварцшильдом было найдено решение уравнений ОТО, описывающее метрику пространства-времени, искривленного сферически симметричным телом некоторой массы m. Проще говоря, речь шла о гравитационном поле, созданном шариком или материальной точкой. Однако решение Шварцшильда, как оно теперь называется, предсказывало совершенно новые особенности этого поля, проявляющиеся на малых расстояниях, порядка гравитационного радиуса тела, определяемого несложной формулой, где G – гравитационная постоянная, а c – скорость света.
Сам термин «черная дыра» родился значительно позже – в 1967 году. Его использовал в одной из своих публичных лекций известный физик-теоретик и популяризатор науки Дж. Уилер. Судя по всему, термин оказался очень удачным – его подхватили журналисты, и он жив до сих пор.
Важно то, что в астрофизике в настоящее время под черными дырами понимают вполне реальные объекты, обладающие конкретной массой и размером. Они рассматриваются как финальная стадия эволюции массивных звезд. Когда у такой звезды заканчивается ее термоядерное горючее, она начинает сжиматься под действием собственной массы. И если изначально эта масса достаточно велика (хотя бы несколько масс Солнца), то в результате сжатия, называемого также гравитационным коллапсом, рождается черная дыра – массивный, компактный, ничего не излучающий объект.
Исторически первой открытой еще в 1970-х черной дырой стала невидимая компонента в двойной системе Лебедь Х-1. Глядя в обычный оптический телескоп на этот объект, мы ничего особенного бы не заметили, а вот в рентгеновском диапазоне длин волн мы бы увидели очень яркий источник излучения. Предполагается, что эта двойная система устроена так: в ней есть видимая звезда – голубой сверхгигант по звездной классификации, его масса около 19 масс Солнца, и есть черная дыра массой около 15 масс Солнца, которые обращаются вокруг общего центра масс, находясь друг от друга на расстоянии впятеро меньше, чем Земля от Солнца. Черная дыра захватывает вещество видимой звезды – оно падает на нее, закручиваясь вокруг и образуя так называемый аккреционный диск. В процессе движения вещество разгоняется и разогревается до температур в миллионы градусов, а уже этот накал и является причиной сильного рентгеновского излучения системы.
Другой класс черных – это те, что находятся в центрах галактик. Их масса измеряется миллионами и миллиардами масс Солнца. Весьма надежные доказательства существования такой дыры в центре нашей галактики удалось добыть исследовательским группам под руководством Рейнхарда Генцеля и Андреи Гез. Именно за это, а именно «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики», им досталась половина Нобелевской премии по физике в 2020 году. Кстати, вторая ее половина отошла физику-теоретику Роджеру Пенроузу – ему удалось показать, что черные дыры как объекты прямо следуют из решений уравнений ОТО.
Итак, что же удалось выяснить астрономам о компактном объекте в центре галактики Млечный путь? С середины 1990-х годов они вели наблюдения за движением отдельных звезд вблизи геометрического центра нашей галактики и показали, что все они обращаются вокруг некоторого общего центра, где сконцентрирована масса в 4,31±0,36 миллионов масс Солнца. Причем в этом месте не наблюдается какой-то супер-яркой звезды, как раз наоборот – там будто бы пусто. А параметры траектории ряда звезд позволяют еще и оценить размеры этого невидимого тяжелого объекта: его радиус никак не более 30 астрономических единиц, т.е. по сути он вписывается в размеры Солнечной системы (если их очертить орбитой Нептуна).
Теперь, когда мы с черными дырами в общих чертах познакомились, давайте обсудим один из эффектов, связанных с искривлением пространства-времени, который в поле черных дыр проявляется наиболее ярко, – гравитационное линзирование. Этот эффект, предсказанный в рамках ОТО, заключается в том, что массивные тела (отдельные звезды, галактики и их скопления, черные дыры и т.п.) отклоняют лучи света от прямой, как бы притягивая свет к себе, подобно тому, как это происходит в обычной линзе.
Впервые этот эффект был проверен в конце мая 1919 года во время полного солнечного затмения. Для этого экспедиция Артура Эддингтона специально отправилась в Северную Африку. Хоть с погодой наблюдателям тогда и не очень повезло, несколько удачных кадров участка неба с расположенным на нем Солнцем, закрытым диском Луны, им сделать удалось. Поскольку во время полной фазы затмения небо было достаточно темным, на снимках оказались видны и отдельные звезды. Наложив эти снимки на фотографии этого же участка неба, полученные в другое время года (когда Солнце не попадало в кадр), Эддингтону удалось наглядно показать, что Солнце своей гравитацией отклоняет свет далеких звезд, смещая их видимое положение на небе.
Хоть величина этого смещения оказалась и крайне мала, она была измерима, и, более того, она оказалась в хорошем согласии с тем, что давали расчеты в рамках только появившейся тогда ОТО. Этот результат послужил бурному росту популярности как Эйнштейна – создателя ОТО, так и Эддингтона.
А вот как проявляется гравитационное линзирование на современных фотографиях. Вот, например, группа галактик «Чеширский кот» искривляет ход лучей света, идущего откуда-то из-за них, издалека. В результате мы видим желто-оранжевые дугообразные изображения – результаты гравитационного линзирования. Очевидно, название «Чеширский кот» связано с тем, что улыбку на фото мы явно видим, а никакого кота здесь нет.
Или вот более свежий снимок – с орбитального телескопа «Джеймс Уэбб», который начал работу в 2022 году. И здесь мы тоже наблюдаем множество мелких и не очень мелких желто-оранжевых дуг. Это опять-таки результаты гравитационного линзирования света далеких звезд.
Давайте теперь посмотрим внимательнее на то, как луч света ведет себя в поле черной дыры некоторой массы. Для простоты предположим, что она имеет форму шара. Радиус этого шара для внешнего наблюдателя будет совпадать с гравитационным радиусом, определяемым массой черной дыры. Постановка задачи может быть, например, такова: некий экспериментатор, находясь бесконечно далеко от черной дыры, направляет в ее сторону луч света своей лазерной указки. Если бы черная дыра никак не влияла на этот луч, то он, оставаясь прямым, прошел бы на расстоянии R от ее центра. Однако мы уже знаем, что своим тяготением черная дыра как бы притягивает свет, и в результате луч искривляется, поворачиваясь или рассеиваясь на некоторый угол. Кстати, в подобных задачах – задачах рассеяния – расстояние R называют еще прицельным расстоянием.
Из общих соображений очевидно, что чем больше прицельное расстояние R, тем меньше угол поворота. И наоборот – при уменьшении прицельного расстояния мы будем видеть, как наш лучик искривляется все сильнее. Он вполне может обогнуть черную дыру, развернуться на 180 градусов и возвратиться обратно к нашему экспериментатору.
А если прицельное расстояние еще уменьшить, то луч света начнет не просто искривляться, уже закручиваться вокруг черной дыры!
Если же прицельное расстояние станет менее
свет начнет захватываться черной дырой, т.е. он будет попросту падать на нее.
Теперь давайте посмотрим на весь этот процесс по-другому. Пусть наш экспериментатор теперь встанет к окуляру телескопа и будет наблюдать в него за черной дырой. Что он увидит? Он точно не увидит самой черной дыры, ведь она не является источником света, но он будет наблюдать то излучение, которое черная дыра ему направила – то множество лучей света, порожденных далекими звездами в разных уголках Вселенной, прошедших неподалеку от черной дыры, искривленных, закрученных ею и направленных в сторону нашего экспериментатора. Он быстро обнаружит, что в некотором диапазоне прицельных расстояний к нему не доходит ни единого лучика света – в центре будет наблюдаться темное пятно радиусом 2.6r(g)/ Это и есть тень черной дыры.
Вот как эта картина выглядит в реальности. Это «фото» черной дыры в центре галактики М87. Ее масса 6,5 миллиардов масс Солнца. Изображения получены в радиодиапазоне на длине волны 1.3 мм с помощью Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) и опубликованы в апреле 2019 года. Здесь мы видим, конечно же, не саму черную дыру, но характерную картину – своеобразный световой «бублик», центр которого – тень черной дыры.
А в правой части следующего изображения – аналогичное «фото» уже для нашей черной дыры, в центре нашей галактики, той самой, за открытие и изучение которой в 2020 году была вручена Нобелевская премия. Это изображение опубликовано в мае 2022 года.
Черная дыра в центре нашей галактики в полторы тысячи раз легче и, соответственно, меньше черной дыры в галактике М87. Здесь это тоже проиллюстрировано. Например, для понимания масштаба справа показана орбита Меркурия – самой близкой к Солнцу планеты. А в масштабе левой фотографии она уже и не видна, там и орбита Плутона кажется не такой уж большой.
Что же это за Телескоп горизонта событий? На самом деле это целая сеть из радиотелескопов, разбросанных на поверхности земного шара, которые были сориентированы в одну точку на небе и синхронизированы. Благодаря такому подходу вся система работала подобно одному гигантскому радиотелескопу размером с Землю. Это и позволило получить рекордное разрешение – в 2500 раз лучше, чем у Хаббла.
А весной 2023 года новостные ленты пестрели заголовками о том, что искусственный интеллект позволил существенно улучшить изображение черной дыры. Действительно, ученые использовали систему машинного обучения для повторного анализа данных, полученных ранее для галактики М87. Они обучили эту систему на 30 тысячах моделей черных дыр, в результате чего она смогла выделить из гигантского массива данных самое нужное и повысить четкость «фотографии».
Что ж, приятно сознавать, что нейронки могут приносить реальную пользу науке, а не только генерировать фейковые новости и писать студентам дипломы.
А вообще, коллаборация Телескопа горизонта событий, пожалуй, вполне достойна и Нобелевской премии, ведь первое в истории изображение тени черной дыры дорогого стоит. Ну, кто знает! Поживем – увидим!
#мининский #mininuniver
#десятилетиенауки
#МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
