Год назад ученые показали реальное фото черной дыры
11 апреля 2019 года ученые из международного проекта Event Horizon Telescope (EHT) показали четкое изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87 в созвездии Дева, на котором впервые в истории посередине видна тень — то, что обычно и называют черной дырой. Вспоминаем, что мы писали об этом событии. В 1931 году инженер Карл Янский из Bell Laboratories несколько месяцев направлял то туда, то сюда радиоантенну. Его задачей было наконец выяснить, из-за чего клиенты компании слышат в трубках помехи во время трансатлантических звонков. Янский довольно быстро выяснил, что по громкости помех может определить грозы. Но помимо них в его наушниках слышалось еще какое-то шипение, источник которого постепенно сдвигался и делал полный оборот с периодом 24 часа.
4 мая 1933 года Янский, выступая на конференции Международного общества радионаук (International Union of Radio Science, URSI), представил коллегам свои соображения о том, что это был за шум. Янский заключил, что в трансатлантические телефонные беседы вмешиваются "голоса" звезд, которые, по-видимому, они излучают в радиодиапазоне, а самый громкий из этих источников находится в центре нашей галактики. Назавтра Янский попал на первую полосу New York Times, а ведущий одной американской радиостанции целый день ставил в эфир запись шипения, сделанную инженером, после чего говорил, что только что прозвучало созвездие Стрелец.
Сегодня мы знаем, что в центре Млечного Пути, в 26 тыс. световых лет от Земли, находится громадный объект примерно в 4 млн раз массивнее Солнца под названием Стрелец А* (также Sagittarius A*, или Sgr A*, а произносится так: "стрелец а со звездочкой"). Для такой массы Стрелец А* занимает чрезвычайно мало места: он уместился бы между нашей звездой и Плутоном. Это — черная дыра.
Имя монстра
Если подбросить камень в воздух, он упадет. Но если сделать это изо всех сил (тут потребуется сила ума, чтобы сконструировать ракету), то камень улетит в космос. На нашей планете для этого нужна одна скорость, а на Солнце — более высокая, потому что оно массивнее и сильнее притягивает к себе. Но что если небесное тело настолько большое, что с него не сбежать даже на предельно возможной скорости?
Об этом рассуждал еще в XVIII веке британский естествоиспытатель Джон Мичелл. Он назвал такой гипотетический объект черной звездой. О том, что эти звезды должны быть невидимыми (ведь оттуда не вырвется даже свет) и их, возможно, великое множество во Вселенной, он сообщил в письме Королевскому обществу, но особенного шума его идея тогда не наделала.
Впервые теоретическую возможность существования таких объектов описал в 1915 году физик Карл Шварцшильд, получив точное решение уравнений Эйнштейна. Долгое время их называли коллапсарами, поскольку они возникают, как правило, в результате схлопывания (коллапса) массивных звезд. Название "черная дыра" стало популярным уже во второй половине ХХ века, и не всем астрофизикам оно нравилось, поскольку опиралось на интерпретацию теории, а не фактические данные наблюдений (такие ученые предпочитали термин "центральная машина").
Но корректно ли это название, до сегодняшнего мы были не уверены. Стрелец А*, диаметр которого, по последним оценкам, составляет около 60 млн км, на расстоянии 26 тыс. световых лет выглядит как монета на поверхности Луны. Астрономы не получали достаточно хороших снимков подобных объектов, чтобы различить детали.
Черная дыра в центре галактики М87, фотографию которой сегодня представили миру, расположена от нас примерно в 2 тыс. раз дальше, чем Стрелец А*. На первый взгляд, странно, что "фотографировать" решили ее. Но она вмещает в себя умопомрачительные 6,5 млрд солнечных масс, поэтому с Земли ее размер кажется примерно таким же, как у Стрельца А*, зато ее не закрывает облако межзвездного газа.
Что мы увидели. И как это получилось
Снимок получили в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Грубо говоря, из телескопов в разных точках Земли получился один большой с зеркалом диаметром в половину Земли. Наблюдения проводились в течение нескольких недель весной 2017 и 2018 годов. Все остальное время заняла пересылка данных в центры обработки и восстановление изображения.
После пресс-конференции менеджер проекта Рено Тиланус сказал, что каждый телескоп в сети нарабатывает около 1–2 петабайтов данных за неделю наблюдений (один петабайт — это где-то 30 тыс. сезонов сериалов в разрешении Full HD). Сначала из данных вычищают шумы, а потом "сводят", занимаются корреляцией. На это уходит до двух месяцев, но целый год ученые ждали, пока в центр обработки данных доставят жесткие диски с Южного полюса. Участники без иронии признаются, что для их нужд FedEx все еще быстрее интернета. В следующем году к наблюдениям подключатся еще три телескопа, и суммарный объем данных за несколько дней наблюдений достигнет 15 петабайт.
Изображение, представленное сегодня, сделано по наблюдениям лишь четырех дней в 2017 году. На пресс-конференции ФИАНа ученые, сотрудничающие с EHT, рассказали, что и это можно считать огромной удачей. Это значит, что именно столько в окне для наблюдений в восьми точках на планете, включая Южный полюс, была хорошая погода, которая позволила ученым получить чистый снимок. В 2018 году EHT повезло намного меньше: погода в отведенное им время так и не наладилась.
Менеджер проекта ЕНТ Рено Тиланус подтвердил, что четырех дней наблюдения за М87* (так назвали черную дыру в сердце соседней галактики) недостаточно для видео, хотя какую-то динамику они наблюдали. Для того чтобы получить видео, наблюдения за черной дырой должны продолжаться как минимум две недели. В следующем году коллаборация надеется провести наблюдения нашего Стрельца А*, если повезет с погодой.
Теперь мы можем точно сказать, что тени черных дыр видны и ничего противоречащего общей теории относительности ученым установить не удалось. Но черные дыры по-прежнему таят много загадок. Например, мы знаем, что некоторые из них появляются после смерти звезд, но как возникают громадины вроде Стрельца А* и М87*, нам остается только догадываться. Возможно, дальнейшие наблюдения позволят не только разглядеть эти объекты получше, но и найти хотя бы некоторые ответы.
