Как удалось сделать первую в истории науки фотографию сверхмассивной черной дыры и какие выводы сделали астрофизики — в материале ТАСС
Коллаборация Event Horizon Telescope (EHT), cвязав восемь радиотелескопов на четырех континентах в один огромный радиоинтерферометр, получила самое четкое в истории изображение сверхмассивной черной дыры. Этот объект находится в центре галактики М87 в созвездии Дева. Разрешение картинки оказалось достаточным для того, чтобы увидеть собственно тень черной дыры в центре этого объекта. Заявление коллаборации сопровождает публикация в журнале The Astrophysical Journal Letters сразу шести научных статей о наблюдениях.
Сердце Галактики
В 1931 году радиоинженер Карл Янский (Karl Guthe Jansky) провел несколько месяцев, направляя в различные стороны радиоантенну, работавшую на частоте 20,5 МГц. Его задачей было наконец выяснить, из-за чего клиенты его работодателя, компании Bell Laboratories, во время трансатлантических звонков слышат в своих трубках помехи. Янский довольно быстро выяснил, что может определить по громкости помех грозы. Но помимо них в его наушниках слышалось еще какое-то шипение, эпицентр которого постепенно сдвигался и делал полный оборот с периодом 24 часа.
Радиоинженер Карл Янский изучает радиоволны, ХХ век
Источник изображения: © Universal History Archive/UIG via Getty Images
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 и где находится его эпицентр. Он заключал, что в трансатлантические телефонные беседы помимо всего прочего вмешиваются "голоса" звезд, которые, по-видимому, они излучают в радиодиапазоне. А самый громкий из этих источников находится в центре нашей Галактики. На следующий день его фамилия была на первой полосе New York Times, а ведущий одной из американских радиостанций целый день ставил в эфир запись шипения, сделанную Янским. После этого он сообщал своей аудитории, что те, мол, прослушали созвездие Стрельца.
Сегодня мы знаем, что в центре Млечного Пути — в 26 тыс. световых лет (или 8 тыс. парсек) от Земли — находится очень-очень массивный объект по имени Стрелец А* (также Sagittarius A*, или Sgr A*, а произносится так: "стрелец а со звездочкой"). Его масса больше массы Солнца примерно в 4 млн раз, а диаметр чуть меньше, чем расстояние между нашей звездой и Плутоном. Космическая станция "Новые горизонты", двигаясь с гелиоцентрической скоростью 45 км/c, летела от Земли до Плутона девять лет, но из Стрельца А* она, конечно, никуда бы не улетела, ведь Sgr A* — это сверхмассивная черная дыра. Огромная, но тем не менее невероятно компактная для своей массы прожорливая бездна, не отдающая в окружающую среду ничего, даже света.
Имя монстра
Впервые теоретическую возможность существования черной дыры описал в 1915 году физик Карл Шварцшильд, получив точное решение для уравнений Эйнштейна. Хотя чисто концептуально "черную звезду" — достаточно массивный объект, чтобы вторая космическая скорость на его поверхности была равна скорости света, — описал еще британский естествоиспытатель Джон Митчелл. О том, что такие объекты должны быть невидимыми и их, возможно, великое множество во Вселенной, он сообщил в письме Королевскому обществу, но особенного шума его идея тогда не наделала.
Стрелец А*, снятый телескопом Chandra. В углу — "эхо" того же объекта
Источник изображения: © NASA/CXC/Caltech/M.Muno et al.
Долгое время подобные объекты назывались в астрономии коллапсарами, поскольку возникают, как правило, в результате коллапса массивных звезд. Само имя "черная дыра" стало популярным уже во второй половине ХХ века, и не все астрофизики ему симпатизировали, поскольку оно опиралось на интерпретацию теории, а не фактические данные наблюдений (такие ученые предпочитали термин "центральная машина").
Но действительно ли это имя корректно, до сегодняшнего дня нам было неизвестно, — астрономы не получали достаточно хороших снимков подобных объектов, чтобы различить детали в их облике. Стрелец А*, диаметр которого, по последним оценкам, составляет около 60 млн км, на расстоянии 26 тыс. световых лет выглядит как монета на поверхности Луны или Земля с Проксимы Центавра.
А черная дыра в центре галактики М87, фотографию которой сегодня представила миру коллаборация EHT, — дальше (55 млн световых лет), чем Стрелец А*, но массивнее (6,5 млрд солнечных масс), поэтому для наблюдателя с Земли она кажется объектом примерно того же размера. Ее в отличие от Стрельца А* не закрывает облако межзвездного газа, и потому изображение рассеивается не так сильно.
Что мы увидели. И как это получилось
Снимок получили в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой: грубо говоря, синхронных наблюдений одного объекта с радиотелескопов, находящихся на разных континентах. Сам EHT в этом смысле еще более "невидимый проект", чем Большой адронный коллайдер или LIGO: у радиоастрономов нет какого-то своего инструмента, их телескоп — это сеть уже существующих радиотелескопов, которые вместе собираются в инструмент с зеркалом диаметром в пол-Земли.
Радиотелескоп "Спектр-Р" (часть проекта "Радиоастрон")
Источник изображения: © НПО им. С.А. Лавочкина
Наблюдения проводились в течение нескольких недель весной 2017 и 2018 годов. Все остальное время заняла пересылка данных в центры обработки и восстановление изображения. Каждую секунду наблюдений каждый из телескопов набирал гигабайты данных, суммарный объем исчисляется петабайтами — поэтому передавались они не по Сети, а пересылались на физических носителях: участники коллаборации без особенной иронии в голосе признаются, что для их нужд FedEx все еще быстрее интернета. Только год ученые ждали прибытия в центр обработки данных Южного полюса. В разговоре с корреспондентом "Чердака" после пресс-конференции сегодня менеджер проекта ЕНТ Рено Тиланус сказал, что каждый телескоп в cети нарабатывает около 1–2 петабайтов данных за неделю наблюдений — из них сначала вычищают шумы, а потом "сводят", занимаются корреляцией: на это уходит в разы больше времени, до двух месяцев. 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. Собеседники корреспондента "Чердака" на пресс-конференции ФИАНа, которые сотрудничают 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 в беседе с автором подтвердил, что четырех дней наблюдения за М87* недостаточно для видео, хотя какую-то динамику они наблюдали. Для того чтобы получить видео, наблюдения такой черной дыры должны продолжаться как минимум две недели. В следующем году коллаборация надеется провести наблюдения Стрельца А*, если с погодой им повезет.
Еще один инструмент подобной "зоркости" (с достаточным угловым разрешением) у радиоастрономов только один — это российский "Радиоастрон", его зеркало в 30 раз больше, поскольку один из телескопов находится в космосе и в апогее удаляется на дистанцию орбиты Луны. Но он работает на длине волны 1,3 см, что в десять раз длиннее, чем у EHT. Поэтому, несмотря на намного более высокое угловое разрешение, ему сложнее "прищуриться" в направлении Стрельца А*, который закрыт для наблюдения в оптическом диапазоне облаком межзвездного газа где-то на полпути между Землей и центром нашей Галактики.
Теперь мы можем точно сказать, что тени черных дыр можно наблюдать. Что в центре М87 находится не кротовая нора. А также то, что ничего противоречащего общей теории относительности ученым установить не удалось. Как отметила в ходе пресс-конференции одна из участниц коллаборации, Моника Мосиброски из Неймегенского университета (снимок черной дыры был получен с использованием ее модели), дыра вращается по часовой стрелке. Плазменный диск вокруг нее практически круглый, это значит, что он почти перпендикулярен плоскости, в которой смотрят на М87* наблюдатели с Земли.
В полной статье на научно-популярном сайте "Чердак" читайте о том, как продолжатся наблюдения за сверхмассивной черной дырой в ближайшие годы.
Иван Шунин
