Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Астрономы добились огромного успеха — впервые получили изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики.

Астрономы добились огромного успеха — впервые получили изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. Но что мы видим на полученном изображении, как оно получено и почему выбрана именно галактика М 87?

Сверхмассивная чёрная дыра с аккреционным диском и струёй плазмы — джетом. Показано примерное расположение основных элементов её окружения. Иллюстрация: ESO
Художественное изображение чёрной дыры с аккреционным диском, повёрнутым к Земле ребром. Иллюстрация: ESO.
Галактика М 87 находится в созвездии Девы. Открыта Шарлем Мессье в 1781 году.
Расположение телескопов ЕНТ, участвовавших в наблюдениях в апреле 2017 года: SMA и JCMT — Гавайи, SMT — США, LMT — Мексика, ALMA и APEX — Чили, SPT — Антарктида и PV (IRAM) — Испания. Сплошные линии показывают пары телескопов, следивших за М 87, пунктирные — за квазаром 3C 279, который использовали для калибровки измерений. Иллюстрация из статьи в «The Astrophysical Journal Letters», Volume 875, Number 1, CC BY 3.0.
Фотография гигантской эллиптической галактики Mессье 87, расположенной примерно в 55 миллионах световых лет от Земли в созвездии Девы. Хорошо виден джет. Фото сделано на Очень большом телескопе (VLT) в Чили. Фото: ESO.
Изображение сверхмассивной чёрной дыры в галактике М 87, полученное с помощью Телескопа горизонта событий (ЕНТ). В центре яркого кольца находится «тень» чёрной дыры радиусом примерно в 2,6 раза больше горизонта событий. Линией показан угловой размер 50 микросекунд, а кружком — разрешающая способность ЕНТ. Иллюстрация из статьи в «The Astrophysical Journal Letters», Volume 875, Number 1, CC BY 3.0.
Пути фотонов в окрестности чёрной дыры. Гравитационное искривление и захват световых лучей с прицельным параметром b менее 2,6RS, пересёкших фотонную сферу, — причина возникновения «тени», изображение которой получено Телескопом горизонта событий. Внизу — вид на фотоны со стороны наблюдателя. Иллюстрация: ESO.
Иллюстрация: ESO.
«Червячки» показывают просмотренные Телескопом горизонта событий фрагменты исследуемой области на (u,v)-плоскости, используемой в интерферометрии. Около каждого подписана пара телескопов, проводившая измерения. Оставшаяся белой область потом заполнена с помощью алгоритма визуализации для получения изображения. Иллюстрация из статьи в «The Astrophysical Journal Letters», Volume 875, Number 1, CC BY 3.0. Иллюстрация: ESO.

Чёрные дыры — необычные космические объекты, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Они имеют гигантские массы и исключительно компактные размеры. Их гравитация настолько велика, что не позволяет «убежать» от них даже свету. Граница области, которую не может покинуть свет, называется горизонтом событий, а её радиус — гравитационным радиусом. Гравитационный радиус считают размером чёрной дыры.

Если чёрная дыра сферически симметрична и не вращается, её гравитационный радиус можно вычислить по формуле, полученной в 1916 году немецким физиком Карлом Шварцшильдом из общей теории относительности Эйнштейна. Эту расчётную величину называют радиусом Шварцшильда (RS). Чтобы возникла чёрная дыра, массивное тело должно быть сжато до размера меньшего RS. Для Солнца RS около 3 км, а для сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути (Sgr A*) он составляет примерно 12,7 миллиона километров. Это всего лишь в 20 раз больше Солнца. Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М 87 — одна из самых больших среди известных. Для неё радиус Шварцшильда около 20 миллиардов километров, что примерно в четыре раза больше орбиты Нептуна.

Смысл названия «горизонт событий» в том, что информация о событиях, произошедших внутри этого горизонта, никогда не достигнет наблюдателя, находящегося за его пределами, ведь свет от точек внутри горизонта не сможет уйти от чёрной дыры. Эти события находятся для нас как бы за горизонтом.

По происхождению выделяют два вида чёрных дыр. Первый — чёрные дыры звёздной массы, они представляют собой остатки массивных звёзд (массой более 20 масс Солнца), которые взорвались как сверхновые. Это последний этап эволюции звёзд. Второй вид — сверхмассивные чёрные дыры с массами более 100 тысяч масс Солнца. Как они образовались, пока не ясно. По одной из гипотез они сформировались из огромных облаков материи одновременно с галактиками. Другая гипотеза предполагает, что они возникли в результате слияния сталкивающихся чёрных дыр звёздной массы.

018_2

Галактика М 87 находится в созвездии Девы. Открыта Шарлем Мессье в 1781 году.
Карта создана в программе Stellarium.

«Голую» чёрную дыру увидеть нельзя. Сама она практически не излучает, а падающий свет полностью поглощает, так что даже отражённым светом, подобно Луне, не светит.

Чёрные дыры ранее обнаруживали по мощному излучению из их окрестностей. Благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства. Падающее на чёрную дыру вещество разгоняется до околосветовых скоростей и закручивается вокруг неё, образуя аккреционный диск. Температура плазмы в нём из-за трения достигает миллионов градусов. Поэтому аккреционный диск испускает тепловое излучение. Движение же релятивистских электронов в искривлённом магнитном поле порождает так называемое синхротронное излучение. Часто у таких чёрных дыр возникают выбрасываемые струи плазмы — джеты, тоже движущиеся с огромной скоростью. Диск и джеты — сильнейшие источники излучения во всех диапазонах электромагнитных волн. Аккреционные диски, возникшие около сверхмассивных чёрных дыр в центрах некоторых галактик, — невероятно яркие и могут затмить все остальные миллиарды звёзд этой галактики, вместе взятые.

Доказательством существования чёрных дыр служат и обнаруженные в 2015 году гравитационные волны от их слияния (см. «Наука и жизнь» № 3, 2016 г., статья «Они существуют! Гравитационные волны зарегистрированы»).

Что такое Телескоп горизонта событий и как он работает?

Даже сверхмассивные чёрные дыры, обнаруженные в центрах многих галактик, в том числе и нашего Млечного Пути, представляют собой сравнительно малые объекты, что до сих пор делало невозможным их прямое наблюдение. Ни один земной телескоп не обладает достаточным разрешением, чтобы разглядеть области такого размера. Напомним, что разрешающая способность зависит от отношения λ/D, где λ — длина волны принимаемого излучения, а D — размер телескопа. Чем меньше длина волны и больше размер телескопа, тем лучше угловое разрешение, тем более мелкие детали он может рассмотреть.

Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) предназначен именно для получения изображений чёрных дыр. Он представляет собой систему из нескольких наземных радиотелескопов, расположенных в разных местах Земли. Использование метода интерферометрии со сверхдлинной базой и вращения нашей планеты позволяет объединить их в единый гигантский телескоп размером с земной шар. Благодаря современным алгоритмам обработки данных EHT достиг углового разрешения порядка 20 микросекунд, что соответствует способности читать заголовки газет на Луне. Для сравнения разрешение телескопа Хаббла диаметром 2,4 метра составляет около 0,05 угловой секунды, что в 2500 раз хуже.

Создание EHT было технической задачей величайшей сложности, решение которой потребовало организации и отладки всемирной сети телескопов. Хотя телескопы не связаны друг с другом физически, получаемые ими наблюдательные данные необходимо было очень точно синхронизировать при помощи атомных часов. На подготовительную работу потребовалось 10 лет и 290 миллионов долларов.

Проект EHT — это не только телескопы, но и международный коллектив, в который входят более 200 астрономов из 60 исследовательских организаций Европы, Азии, Африки, Северной и Южной Америки. Чтобы на основе наблюдений получить изображение чёрной дыры, требовались теоретические и имитационные исследования, разработка алгоритмов обработки данных.

В период с 5 по 11 апреля 2017 года EHT наблюдал M 87 в течение четырёх дней. В работе участвовали восемь радиотелескопов: ALMA, APEX (Чили), 30-метровый телескоп IRAM (Испания), телескоп Джеймса Клерка Максвелла JCMT и Субмиллиметровая решётка SMA (Гавайи), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (LMT, Мексика), Субмиллиметровый телескоп (SMT, США) и телескоп на Южном полюсе (SPT, Антарктида).

Наблюдения велись на длине волны 1,3 мм. Это практически минимальная длина волны, на которой можно на Земле наблюдать космические объекты в радиодиапазоне. Дело в том, что атмосфера Земли прозрачна не для всех длин волн электромагнитного излучения. Радиоастрономия работает в окне прозрачности атмосферы от 1 мм до примерно 30 м. Меньшие длины волн практически полностью поглощаются молекулами газов атмосферы, в первую очередь водяного пара, а большие — отражаются обратно в космос ионосферой. Напомним, что малая длина волны нужна для получения высокого разрешения.

Работа на таких коротких волнах связана со множеством проблем: повышенный шум в электронике, поглощение излучения в атмосфере, повышенные фазовые флуктуации, вызванные атмосферной турбулентностью.

Каждый телескоп EHT в ходе кампании получил громадное количество данных: 350 терабайт в день. Их записывали на высокопроизводительные жёсткие диски, которые отсылали для обработки на специализированных суперкомпьютерах — корреляторах, установленных в Институте радиоастрономии Общества Макса Планка (Германия) и обсерватории Хэйстек (MIT, США). После сложнейших процедур с использованием новейших вычислительных методов, разработанных участниками проекта, эти данные преобразовывались в изображения. На обработку нескольких петабайтов данных, полученных всеми телескопами, потребовалось два с половиной года. Кстати, такое количество музыки, записанное в формате mp3, пришлось бы слушать не одну тысячу лет.

Для объективности в 2018 году команда разделилась на четыре группы, каждая из которых обрабатывала данные независимо от других, разными методами. Чтобы защититься от предвзятости, группы не имели контакта друг с другом. Все группы получили похожие результаты, что говорит об их надёжности.

Заметим, что в радиодиапазоне, где длина волны достаточно велика, невозможно получить фотографию объекта в привычном смысле. Информация об отдельных фрагментах изображения сложным образом зашифрована в данных интерферометра. С помощью сложных вычислений эту информацию извлекают и из фрагментов получают изображение. Однако неправы те, кто говорят, что это не реальные изображения. Вспомним, что в магнитно-резонансной томографии (МРТ) изображения тоже формируются с помощью компьютерной обработки данных, однако они объективно отображают реальное состояние организма и успешно используются в медицине для диагностики.

Почему М 87?

Предполагается, что в любой галактике существует множество чёрных дыр с массой, близкой к массе звёзд, однако их размеры слишком малы для наблюдений. Сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик значительно крупнее, но и расположены они значительно дальше. В настоящее время для наблюдений доступны две сверхмассивные чёрные дыры: одна — в центре нашей Галактики (Sgr A*), другая — в гигантской эллиптической галактике M 87 из скопления галактик в созвездии Девы.

Чёрная дыра в центре галактики М 87 находится на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли — в две тысячи раз дальше, чем Sgr A*, однако по астрономическим меркам это совсем рядом. Размеры горизонта событий чёрной дыры пропорциональны её массе. Чёрная дыра в М 87 имеет массу 6,5 миллиарда солнечных масс, в 1500 раз больше, чем Sgr A*. Благодаря огромной массе и относительной близости к Земле чёрная дыра в центре галактики M 87 для земного наблюдателя — одна из крупнейших по своим угловым размерам, что и сделало её идеальной мишенью для исследования. Размер её горизонта событий — 22 микросекунды, лишь немного меньше, чем у Sgr A*, — 53 микросекунды. Он сопоставим с угловым размером спичечного коробка, помещённого на Луну.

Другая причина выбора М 87 в том, что она видна и из Северного, и из Южного полушария Земли. Поэтому её могут наблюдать большое число наземных телескопов, что, в свою очередь, позволяет увеличить разрешение получаемых изображений.

Стоит отметить, что из-за большой массы чёрная дыра в М 87 менее изменчива, чем Sgr A* (характерное время изменчивости — дни против минут). Изменчивость мешает наблюдениям, поскольку ограничивает время приёма стабильного сигнала. Кроме того, Sgr A* лежит для нас в галактической плоскости и скрывается газопылевыми облаками. Эти проблемы исследователям ещё придётся решать для получения изображения Sgr A*.

Что мы видим на изображении чёрной дыры?

Как уже отмечалось, саму чёрную дыру увидеть нельзя, она практически не излучает. Но если её окружает светящееся вещество, то должна наблюдаться картина в виде светящегося кольца с тёмной областью в центре, которую называют тенью чёрной дыры. Название неудачное, поскольку тёмная область — не тень. Скорее, надо говорить о силуэте чёрной дыры. Правда, размер этого силуэта примерно в 2,6 раза больше размера горизонта событий. Вид силуэта определяется сильной гравитацией чёрной дыры. Разберёмся с этим подробнее.

Гравитация чёрной дыры не отпускает от неё свет. Однако на расстоянии 1,5RS существуют орбиты, по которым свет может двигаться вокруг чёрной дыры по окружности. Все пойманные в своеобразную ловушку фотоны образуют так называемую фотонную сферу. Эти орбиты неустойчивы. Фотоны, приблизившиеся к чёрной дыре, поглощаются ею, а удалившиеся от неё — убегают в космос. Благодаря последним наблюдатель со стороны может увидеть в области тени узкое светящееся кольцо, соответствующее фотонной сфере. Правда, пока изображение получено с недостаточным разрешением, и рассмотреть на нём это кольцо невозможно.

У чёрной дыры в центре галактики M 87 излучающий аккреционный диск располагается под небольшим углом к плоскости, перпендикулярной направлению на Землю. В этом случае на полученном изображении как раз и будет видно светящееся кольцо с тёмной тенью в центре, но каким будет её радиус?

Чтобы разобраться, проще рассмотреть обратный процесс: будем обстреливать чёрную дыру фотонами. Прохождение фотона мимо чёрной дыры можно охарактеризовать прицельным параметром b — минимальным расстоянием, на которое он бы приблизился к центру чёрной дыры, если бы двигался по прямой без учёта её гравитации. Геометрически это длина перпендикуляра из центра чёрной дыры на эту прямую. Вдали от чёрной дыры фотон и движется по этой прямой. Гравитация искривляет его траекторию, причём тем сильнее, чем меньше b. Если прицельный параметр станет меньше

то на своём пути вокруг чёрной дыры фотон пересечёт фотонную сферу и будет поглощён горизонтом событий. Если теперь развернуть движение фотонов в обратную сторону, то станет ясно, что из области вокруг чёрной дыры с радиусом 2,6RS излучение к наблюдателю не попадает, поскольку начала лучей для неё лежат на горизонте событий. Можно сказать, что здесь наблюдатель видит его «лицо» и «затылок». Это и будет «тень» чёрной дыры с радиусом 2,6RS. Вращение чёрной дыры немного изменит значение, но не более чем на 4%.

Интересно посмотреть, что будет в случае, когда аккреционный диск повёрнут к наблюдателю ребром? Будем ли мы наблюдать что-то помимо полоски диска, аналогичной той, которую увидим, повернув к себе ребром монету? На первый взгляд кажется, что мы ничего другого не увидим, но это — ошибочное мнение. Здесь опять вмешивается эффект искривления лучей в сильном гравитационном поле. Излучение от задней, невидимой нам половины аккреционного диска благодаря гравитации обогнёт чёрную дыру со всех сторон, и мы снова увидим вокруг тёмного силуэта светящееся кольцо с тем же радиусом «тени». Подобную чёрную дыру можно увидеть в фильме «Интерстеллар».

Отчётливо видно, что полученное ЕНТ изображение несимметрично — снизу оно значительно ярче. Это результат так называемого доплеровского усиления, из-за которого излучение вещества, движущегося на нас, будет ярче, чем удаляющегося от нас.

Почему изображение нечёткое?

В первую очередь это связано с тем, что разрешение всё же недостаточно высоко, оно сопоставимо с размером самой чёрной дыры. Представьте себе небольшую картину, нарисованную толстой кистью. Впрочем, высокое разрешение в данном случае не означает высокого качества изображения.

Дело в том, что EHT собирал информацию от чёрной дыры с помощью небольшого количества телескопов, работавших достаточно короткое время. Эти телескопы заняты ещё множеством других исследований. При каждом измерении была получена информация лишь о небольшом участке исследуемой области. К тому же при интерферометрии изображение с высоким разрешением получается только в направлении прямой, соединяющей два используемых телескопа. Поскольку измерений было недостаточно, чтобы исследовать всю область, между полученными фрагментами осталось много неисследованных мест. Так что затем исследователи должны были восстановить полное изображение, заполнив пробелы. Это похоже на частично осыпавшуюся мозаичную картину на стене, от которой осталось лишь некоторое количество отдельных фрагментов, и теперь реставраторам по ним надо восстановить исходное изображение. Разработанные алгоритмы визуализации заполняют эти пробелы, формируя изображение чёрной дыры. Разумеется, невозможно получить реальные детали изображения, попавшие в заполняемую область, ведь, по сути, она просто определённым образом закрашивается. Естественно, изображение получается размытым, лишённым мелких деталей.

Кстати, с подобными алгоритмами можно встретиться в компьютерных программах, работающих с фотографиями. При увеличении фотографии программа раздвигает её пиксели, заполняя промежутки между ними по определённому алгоритму. Легко увидеть, что фотография при этом теряет чёткость, становится размытой.

Но тогда возникает вопрос, а насколько восстановленное изображение соответствует реальности, ведь по фрагментам мозаики можно создать множество возможных картин? Здесь на помощь учёным приходит моделирование, которое позволяет из всех возможных изображений отобрать те, которые выглядят наиболее разумными.

Ещё одна проблема — неоптимальное расположение уже существующих телескопов для использования их для исследования данного объекта методом интерферометрии.

Но успешное решение этой задачи даёт надежду на то, что к исследованиям присоединятся другие телескопы и на измерения будет выделено достаточно времени, чтобы получить чёткое и детальное изображение чёрной дыры.

Почему это событие важно?

Астрофизики уже давно не сомневаются в существовании чёрных дыр, но до сих пор это была лишь модель, которая очень хорошо описывала целый ряд астрофизических явлений: излучение ядер галактик, двойные рентгеновские системы и т. д. Да, без неё трудно объяснить наблюдаемые явления, но это была всё же модель. А вот теперь мы увидели чёрную дыру воочию, это наблюдаемый факт. Кроме того, впервые получено экспериментальное подтверждение вращения чёрных дыр.

Новых результатов работа EHT в целом не принесла. Многие свойства полученного изображения даже неожиданно хорошо соответствуют теоретическим представлениям. Но, с другой стороны, это даёт уверенность в правильности методов измерения и интерпретации результатов, в том числе и оценок массы чёрной дыры.

Зато в дальнейшем доработанный метод и более масштабные наблюдения, возможно, с участием космического телескопа позволят детально наблюдать процессы около чёрной дыры, которые тоже до сих пор были только моделью. Благодаря этому астрофизики смогут «разобраться» с вопросами по сильным гравитационным эффектам, ожидаемым вблизи чёрной дыры, по поведению вещества вблизи чёрной дыры, в том числе и с механизмом возникновения джетов.

Результаты наблюдений можно использовать для тестирования общей теории относительности и различных альтернативных теорий гравитации, которые предсказывают, например, разную форму «тени». Так, общая теория относительности предсказывает, что «тень» чёрной дыры будет круглой, а другие теории предполагают, что она сжата вдоль различных осей и имеет сложную форму. Но для того чтобы увидеть различия, надо получить более чёткое её изображение.

Одна из дальнейших целей EHT — понять, почему, в отличие от других галактик, сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути сравнительно тусклый объект — её яркость всего в несколько сотен раз больше яркости Солнца.

Примет ли Россия участие в проекте?

Россия не принимала участие в проекте в первую очередь потому, что не имеет современных радиотелескопов, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн. Например, крупнейший в мире космический радиотелескоп «Радиоастрон» (запущен в 2011 году) с диаметром антенны 10 метров, позволивший достигнуть рекордных значений разрешения, работает в сантиметровом диапазоне.

Но ситуация может измениться. В 2018 году Россия и Узбекистан приняли решение достроить на юге Узбекистана уникальный радиотелескоп «Суффа» на одноимённом плато, который должен работать именно в миллиметровом диапазоне. Строительство этого 70-метрового радиотелескопа началось в 1985 году, но в 1991 году было законсервировано. Если всё пойдёт по плану, то телескоп сможет войти в строй к 2024 году. Стоимость работ порядка 4 миллиардов рублей.

Кроме того, в планах российских астрономов запуск космической обсерватории «Миллиметрон» (Спектр-М) с 10-метровым зеркалом, предназначенной для исследований в миллиметровом и инфракрасном диапазонах. Космический телескоп благодаря значительному удалению от Земли существенно увеличивает разрешающую способность интерферометра. Однако, скорее всего, «Миллиметрон» запустят лишь после 2030 года.

В случае ввода в строй этих телескопов Россия, возможно, сможет принять участие в проекте EHT.

 

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки