Взгляд в бездну: как учёные разглядели сверхмассивные чёрные дыры

Почему фотографии размыты, что такое сверхдлинная база и причём тут блинчики.

Существование чёрных дыр в том виде, в котором мы их представляем сегодня, было предсказано Карлом Шварцшильдом в 1915 году, когда он вывел несколько точных решений в уравнениях теории относительности. Тогда такие объекты называли «застывшими звёздами» или «коллапсарами», а термин «чёрная дыра» впервые употребил Джон Уилер в 1967 году. К этому времени астрономы обнаружили достаточно много объектов, похожих по описанию на теоретическую чёрную дыру. Их обнаружили и в нашей Галактике, и далеко за её пределами.

На сегодняшний день нам известно несколько тысяч потенциальных кандидатов в чёрные дыры, а по некоторым оценкам в одном только Млечном пути может существовать несколько десятков миллионов чёрных дыр звёздной массы. Проблема наблюдения за этими объектами состоит в том, что все они до недавних пор обнаруживались по косвенным признакам. Например, по движению ярких звёзд вокруг «пустого» места, как будто в той точке скрывается огромная, но невидимая масса. Или же по искажениям изображений звёзд и целых галактик, словно свет от них прошёл через огромную космическую линзу. Гравитационное линзирование характерно для любого тяжёлого объекта, в том числе Солнца, но из всех известных нам космических объектов такими наиболее заметными признаками обладают только чёрные дыры.

К началу XXI века научное сообщество уже практически не сомневалось в существовании чёрных дыр, однако всем очень хотелось наблюдать её напрямую. И в 2019 году астрофизикам это удалось, а ещё спустя три года мы увидели сверхмассивную чёрную дыру в центре нашей Галактики.

Рассказываем, как учёным удалось получить эти изображения, как работает телескоп «размером с Землю» и что именно мы увидели на этих фотографиях.

Сперва определимся, что же такое чёрная дыра. Это такой объект, масса которого заключена в ничтожно малом объёме пространства. Чтобы небесное тело превратилось в чёрную дыру, его нужно сжать так сильно, чтобы радиус этого тела стал равен радиусу Шварцшильда. Солнце можно превратить в чёрную дыру, если его сжать до шарика радиусом около 3 километров. Впрочем, само по себе Солнце никогда не сможет так сжаться, потому что слишком оно маленькое и лёгкое.

Гравитационное поле такого объекта чрезвычайно сильное, поэтому, чтобы покинуть пределы чёрной дыры, нужно развить вторую космическую скорость больше, чем скорость света. А поскольку из теории относительности мы знаем, что ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света в вакууме, то и никому ни под силу покинуть её притяжение.

У чёрных дыр нет какой-либо поверхности, зато есть горизонт событий — воображаемая граница, на которой свет ещё способен «убежать» от чёрной дыры. Но как только любой объект пересекает эту границу, назад он уже не вернётся. Чем массивнее чёрная дыра, тем больше размер её горизонта событий.

Чёрные дыры можно назвать самыми простыми объектами во Вселенной. Судите сами: чтобы описать чёрную дыру, вам нужно знать только три параметра: массу, электрический заряд и момент вращения (он же спин — квантовая характеристика, которую приближённо можно представить в виде «внутреннего вращения»). Все остальные характеристики вроде температуры, плотности, объёма или свойств исходного вещества у чёрной дыры просто отсутствуют. То есть, одна чёрная дыра практически неотличима от другой.

Тем не менее их массы очень разнятся. Подавляющее большинство чёрных дыр обладают звёздной массой. Такие чёрные дыры весят от трёх до десяти масс нашего Солнца. Но некоторые из них весят в семьдесят раз больше, чем наша звезда, хотя такие толстяки, скорее всего, получились путём слияния двух чёрных дыр поменьше. В любом случае, все они образовались из ядер огромных звёзд — таких как голубые гиганты. В диаметре они могут быть в 25 раз больше Солнца, но чёрные дыры после них в размере не превышают нескольких километров.

Но бывают и поистине колоссальные чёрные дыры — сверхмассивные. Как следует из названия, они весят от миллиона до нескольких миллиардов солнечных масс. Впрочем, они сравнительно компактны: в диаметре даже самые тяжёлые сверхмассивные чёрные дыры меньше нашей Солнечной системы.

Все известные нам сверхмассивные чёрные дыры обнаружены в центрах галактик, и мы до сих пор не знаем, как они образовались. Точнее, у физиков есть несколько гипотез, включая слияние множества чёрных дыр звёздной массы в одну сверхмассивную, но все модели показывают, что такой процесс может занимать миллиарды лет.

Однако в 2017 году астрономы обнаружили самую древнюю из известных на сегодняшний день сверхмассивных чёрных дыр, которая называется ULAS J1342+0928. Она образовалась, когда Вселенной стукнуло «всего лишь» 690 миллионов лет. По космическим меркам, с Большого взрыва прошло почти мгновение.

Так как же напрямую увидеть чёрную дыру? Ведь мы знаем, что она всё поглощает и ничего не излучает (если не считать излучения Хокинга, но его обнаружить издалека практически невозможно). Это большая проблема, ведь одинокую чёрную дыру обнаружить мы не сможем.

Но всё меняется, если рядом с ней поместить какую-нибудь звезду или достаточно много газа. Взгляните на знаменитую иллюстрацию чёрной дыры из фильма «Интерстеллар» Кристофера Нолана.

Её изображение смоделировано в точном соответствии с уравнениями Эйнштейна, которые решал Карл Шварцшильд, хотя и с некоторыми допущениями.

Вокруг этой чёрной дыры вращается вещество, которое непрерывно падает в бездонный гравитационной колодец. Точно так же наша Земля постоянно падает на Солнце. Однако мы не приближаемся к звезде, потому что центробежная сила выкидывает нас обратно. Вещество вокруг чёрной дыры подчиняется тем же законам небесной механики, что и Земля, но скорость движения у газа значительно выше из-за гравитации чёрной дыры. Газа вокруг неё очень много, и он достаточно плотный.

Впрочем, сам по себе газ не излучает свет — для того, чтобы он начал светиться, его нужно нагреть. Чёрная дыра делает это, разгоняя вещество до почти световой скорости. Причём внутренние слои вращаются заметно быстрее, чем внешние. Из-за этого молекулы газа сталкиваются друг с другом, испытывают трение и начинают нагреваться. Чем больше скорость вращения, тем быстрее происходит нагрев и тем ярче начинается светиться газ. Вещество вокруг чёрной дыры разогревается до миллионов градусов — сильнее, чем в самом центре Солнца.

Благодаря центростремительной силе вещество вокруг чёрной дыры принимает форму аккреционного диска и всё больше падает за горизонт событий.

Поэтому, чтобы чёрная дыра «подсвечивалась» достаточно долго, вещество должно откуда-то пополняться. Для сверхмассивных чёрных дыр новая «пища» не является проблемой, ведь в центре галактик вещества всегда много — тысячи звёзд и гигантские массы газа и пыли то и дело падают на её поверхность, закручиваясь в ярком диске. Именно этот аккреционный диск мы и можем увидеть.

Мы знаем два способа прямых наблюдений. Первый способ мы пока не будем подробно рассматривать — это обнаружение гравитационных волн, которые образуются, когда две чёрных дыры сталкиваются друг с другом. Сложнейшая игра гравитации и экстремальных эффектов теории относительности заставляет колебаться само пространство-время. Именно эти колебания обнаруживают знаменитые гравитационные обсерватории: американская LIGO и европейская VIRGO.

Благодаря этим замечательным инструментам астрономы открыли в несколько раз больше чёрных дыр, чем по косвенным признакам ранее.

Второй способ наблюдения за чёрными дырами более приземлённый — увидеть свет аккреционного диска. К сожалению, наблюдать таким способом чёрные дыры звёздной массы мы пока не можем — слишком уж они маленькие и далёкие (ближайшая к нам обычная чёрная дыра находится на расстоянии 960 световых лет).

А вот сверхмассивные чёрные дыры куда больше, и одна из них совсем недалеко от нас. Объект Стрелец А* (читается «Стрелец А со звёздочкой») — её масса 4,3 миллиона солнечных и она удалена от нас на 27 тысяч световых лет. Для сравнения диаметр всего Млечного пути составляет целых 100 тысяч световых лет.

Впрочем, чтобы увидеть нашу сверхмассивную чёрную дыру, учёным пришлось преодолеть массу трудностей.

Идея прямого наблюдения за чёрными дырами не нова, однако долгое время не было чёткого понимания о том, как это сделать. Ведь даже сверхмассивные чёрные дыры очень малы на больших расстояниях, а вещества вокруг них так много, и оно столь яркое, что увидеть в этом пятне маленькую тень ничуть не проще, чем разглядеть муравья на Луне (если бы, конечно, он там был).

«И всё же нет ничего невозможного!» — решил астрофизик Гарвардского и Смитсоновского института Шепард Доулман.

Всю научную карьеру он посвятил изучению чёрных дыр. Получив степень бакалавра в 1986 году, он на год отправился в Антарктиду, где занимался наблюдениями на полярной станции Мак-Мердо. Вернувшись на родину в США, Доулман продолжил обучение в Массачусетском технологическом институте, где в итоге получил степень доктора философии по астрофизике (аналог учёной степени «кандидат физико-математических наук»).

Потом он поработал в Институте имени Макса Планка, а в 1995 году вернулся в Массачусетский технологический институт, где занял должность помощника директора обсерватории Хейстек.

К 2012-м Доулман стал научным сотрудником фонда им. Джона Симона Гуггенхейма и получил грант на исследования в Институте радиоастрономии Макса Планка. По совместительству Шепард возглавил несколько исследовательских программ, поддерживаемых грантами Национального научного фонда, Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO), Фонда развития ALMA-NA, Смитсоновской астрофизической обсерватории, а также преподавал в своей Альма-матер в Массачусетсе.

Став научным сотрудником Гарварда, он возглавил проект Black Hole Initiative (BHI) — первую в своём роде междисциплинарную программу обучения в Гарвардском университете, которая объединяет в себе дисциплины астрономии, физики, математики, философии и истории науки. Главная задача проекта — сформировать научную дисциплину, полностью посвящённую изучению природы чёрных дыр.

Впрочем, наиболее известным достижением в карьере для Шепарда Доулмана стало руководство программой Event Horizon Telescope, сокращённо ЕНТ или «Телескоп Горизонта Событий».

Чтобы увидеть чёрную дыру, астрономам не подходит обычный телескоп, работающий в видимом диапазоне. На больших расстояниях любая чёрная дыра, вокруг которой вращается вещество, «выглядит» как компактный радиоисточник. Центральная область Млечного Пути — самый мощный источник радиоизлучения в Галактике, хотя самым ярким для нас остаётся Солнце, просто потому что оно слишком близко к нам. А иногда в космосе встречаются целые радиогалактики — у таких звёздных систем радиоизлучение гораздо выше, чем у большинства обычных галактик.

Так вот, для того чтобы наблюдать радиоисточники астрономам нужен радиотелескоп. Это не просто большая труба, которая смотрит в небо. Скорее, это антенна, чем-то похожая на обычную спутниковую тарелку, которая принимает свет не в видимом диапазоне, а радиоволны.

Свет в радиодиапазоне имеет куда большую длину волны, чем в видимом диапазоне. А из уроков физики мы знаем, что чем волна длиннее, тем более размытым получается сигнал от неё. Поэтому, чтобы компенсировать недостаток, угловое разрешение телескопа должно быть очень маленьким. А ведь размер изображения обратно пропорционален размеру «зеркала» телескопа. То есть, чем больше обсерватория, тем меньший объект он сможет увидеть. Поэтому космический инфракрасный телескоп имени Джеймса Уэбба увидит более далёкие объекты, чем Хаббл, уже хотя бы потому что у Уэбба зеркало больше (но далеко не только из-за этого!).

Однако любой радиотелескоп ограничен в размерах, поэтому астрономы давно придумали решение проблемы — необязательно строить обсерваторию размером с город, ведь можно собрать из маленьких телескопов интерферометр. Что это такое? Так астрономы называют массив из нескольких антенн радиотелескопов, которые работают вместе как единое целое. Такая система позволяет получить изображения небесных тел с куда более высоким разрешением, чем если бы каждый из этих радиотелескопов работал по отдельности.

В свою очередь интерферометрия — это метод, который использует свойство любых волн (в том числе световых) накладываться друг на друга, чтобы взаимно усиливать или ослабить. Единственное требование к волнам — они должны исходить из одного и того же источника (такие волны называются коррелированными), либо иметь близкую друг к другу частоту (когерентные волны). Эта способность и называется интерференцией.

Такое явление бывает двух видов: конструктивная интерференция возникает при наложении друг на друга волн, находящихся в одной фазе, а деструктивная — при наложении волн в противофазе. Как следует из определения, при конструктивной интерференции сигнал волн усиливается, а при деструктивной — ослабевает.

Очень упрощённо говоря, интерференция позволяет усилить или ослабить амплитуды накладывающихся друг на друга волн, тем самым увеличивая интенсивность света. Каждая тарелка радиотелескопов, объединённых в интерферометр, собирает свет от наблюдаемого объекта и преобразует полученные радиоволны в электрический сигнал.

Затем суперкомпьютер, называемый коррелятором, при помощи атомных часов выравнивает время наблюдений и объединяет электрические сигналы от подключённых к нему тарелок в интерференционную картину. Короче говоря, радиотелескопы наблюдают фронт одной и той же волны от источника, но в разное время.

В итоге, два телескопа диаметром по 10 метров каждый и разнесённые на 100 километров друг от друга увидят в тысячу раз больше деталей, чем один телескоп диаметром 100 метров.

Впрочем, исходные данные получены в радиодиапазоне, поэтому для того, чтобы мы смогли увидеть изображение в видимом диапазоне, учёные используют так называемое преобразование Фурье — математическую операцию, которая помогает «подогнать» частоту исходного сигнала под частоту требуемого диапазона.

Именно благодаря преобразованию Фурье мы можем видеть изображения, полученные с рентгеновской обсерватории «Чандра» или же с инфракрасного телескопа «Джеймс Уэбб». Наши глаза ни рентгеновское, ни инфракрасное излучения не улавливают, поэтому нам и нужно провернуть этот небольшой математический фокус, чтобы сигналы с этих телескопов мы смогли увидеть в видимом диапазоне.

Преимущество интерферометрии в том, что благодаря ей теоретически можно получать изображения с угловым разрешением, как у огромного телескопа с базой, равной расстоянию между обсерваториями, которые объединены в единое целое.

Впрочем, в природе ничего не даётся даром. Один из недостатков интерферометра заключается в том, что максимальный угловой размер детектируемого источника излучения ограничен минимальным зазором между двумя антеннами в массиве обсерваторий, объединённых в интерферометр.

Однако главный недостаток интерферометров в том, что они не могут собрать столько же света, сколько смогло бы зеркало или антенна такого же гигантского размера. Поэтому интерферометры используются, например, для того чтобы наблюдать за поведением близко расположенных космических тел, вроде тесных двойных звёзд. Но пятна на этих звёздах интерферометр уже не сможет увидеть, потому что ему не хватит времени, чтобы собрать достаточно света и различить эти самые пятна.

Поэтому чем дольше интерферометр наблюдает за объектом, тем больше света он соберёт, а значит, и больше деталей мы сможем увидеть. А поскольку во времени наблюдения ограничены, необходимы сложные компьютерные вычисления для анализа данных, которых всегда очень мало. К тому же интерферометр очень сильно зависит от погодных условий, в которых находятся его телескопы.

Так что нового придумал в этой концепции Шепард Доулман? В 1990-х годах он написал докторскую диссертацию, в которой он описал возможность объединения не просто «нескольких радиотелескопов», а обсерваторий, разнесённых друг от друга на расстоянии всей планеты. Объединив их в одну систему, можно повысить их разрешающую способность настолько, что получившийся интерферометр стал бы столь же зорким, как и телескоп размером с планету.

В 2008 году Доулман собрал небольшую команду, с которой сфотографировал структуры, похожие по размеру с близкими к нам сверхмассивными чёрными дырами. И эта работа стала доказательством работоспособности концепции.

Созданная им коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) представляет собой интерферометр со сверхдлинной базой (VLBI). «Базой» интерферометра («базовая линия») называется расстояние между двумя радиотелескопами. Соответственно, для ЕНТ, у которого телескопы разнесены по разным континентам, «база» становится сверхдлинной. Таких интерферометров на Земле действует довольно много, но ни один из них не обладает параметрами ЕНТ.

Чем больше обсерваторий объединено в одну систему, тем лучше. Дело вот в чём: Земля вращается, перемещая антенны радиотелескопов по небесной сфере. Поэтому каждый из них принимает сигнал от наблюдаемого объекта в течение короткого времени.

На рисунке слева показана базовая красная линия между двумя обсерваториями. В центре — схема нанесения точечных изображений от обоих радиотелескопов на «карту» объекта. А справа — то, что мы увидели бы в ходе сбора этих данных.

Если бы обсерваторий было бесконечно много, то за один оборот нашей планеты вся окружность посередине рисунка была бы полностью заполнена красными точками — наблюдениями обсерватории. Такой роскоши астрономы позволить себе не могут, поэтому они просто подключили к работе ещё несколько телескопов с разными длинами баз.

Согласитесь, уже и деталей больше, и структура объекта проявляется значительно чётче. Красными точками показаны наблюдения обсерваторий за некоторый промежуток времени, пока они нацелены на объект.

Такой способ построения изображения у радиоастрономов называется «UV-выборкой». Вот как она работает. Плоскость окружности (UV-плоскость) представляет собой множество возможных пространственных частот. Упрощённо говоря, на этой окружности показано расстояние между телескопами, разделенное на наблюдаемую длину волны. По горизонтали показано направление с востока на запад, а по вертикали — с севера на юг.

Нулевая точка в центре — это самый крупный масштаб, который можно увидеть только с одним радиотелескопом. Когда Земля вращается, положение любых двух обсерваторий меняется: например, телескоп в Испании проходит большее расстояние слева направо по сравнению с телескопом в Чили. Таким образом, длина базы между этими телескопами изменяется, а также меняется её ориентация в пространстве, поэтому красные точки со временем очерчивают дуги на графике.

Впрочем, белого пространства на окружности всё ещё очень много, поэтому физикам потребовались сложнейшие компьютерные алгоритмы, которые помогают им реконструировать изображение по сравнительно маленькому количеству данных.

В мае 2009 года в журнале Astrophysical Journal вышла статья «Визуализация силуэта чёрной дыры М87: последствия для образования джета и вращения чёрной дыры». В ней кроме описания UV-плоскости, о которой мы говорили выше, астрономы смоделировали, как могла бы выглядеть М87, если бы в поле зрения интерферометра попали релятивистские джеты.

А первые наблюдения на интерферометре ЕНТ проводились в 2011, 2012 и 2013 годах, но тогда не удалось получить достаточно данных, чтобы составить полноценное изображение.

В 2013 году астрономы коллаборации ЕНТ подготовили статью, в которой перечислили технические особенности обновлённого «Телескопа Горизонта Событий», включая требования к суперкомпьютеру, который обрабатывает данные обсерваторий.

Уже на следующий год астрономы из Японского астрономического общества предложили методику получения изображения, которая улучшает особенности UV-выборки специально для интерферометра сверхдлинной базы, то есть для самого ЕНТ. Вкратце учёные предложили использовать так называемое «разреженное моделирование». Так называется результат работы машинного обучения (нейросетей), который позволяет обнаружить закономерности даже в слабых или «разреженных» данных — то есть, когда этих данных очень мало.

Это исследование помогло учёным коллаборации ЕНТ составить компьютерные алгоритмы, которые гораздо лучше воссоздают изображение, полученное от радиотелескопов интерферометра.

В 2015 году Шепард Доулман с физиками коллаборации отчитались о данных 2013 года и выявили структуру масштаба горизонта событий объекта Стрельца А* и М87. Также астрономы смогли визуализировать в виде массива данных релятивистские эффекты возле обеих сверхмассивных чёрных дыр и обнаружили структуру магнитного поля у их горизонтов событий.

Повторные наблюдения астрономы осуществили 2017 году, в 2018, в 2021 и 2022 годах. Самые идеальные условия были в 2017 году, и оба изображения построены на основе данных, собранных пять лет назад.

В том году над изображениями обеих сверхмассивных чёрных дыр работали всего восемь обсерваторий по всеми миру.

На картинке показаны все радиотелескопы, объединённые в интерферометр ЕНТ. По часовой стрелке, начиная с верхнего левого угла: ALMA в Чили; SMA на Гавайях; SPT в Антарктиде; SMT в Аризоне; APEX в Чили; Большой миллиметровый телескоп (LMT) в Мексике; телескоп Джеймса Клерка Максвелла (JCMT) на Гавайях; и радиотелескоп испанского Института радиоастрономии (IRAM 30m).

Вся эта разношёрстная компания наблюдала обе чёрные дыры в течение нескольких дней. За это время вещество вокруг объектов изменяет своё положение, из-за чего картина, которую весь интерферометр наблюдает, меняется со временем. Это то же самое, как если бы вы каждый день фотографировали один и тот же пейзаж, но каждый раз погодные условия разнились. Сегодня светит солнце, завтра идёт проливной дождь, а на третий день поднимается снежная буря, которая затмевает пейзаж от вашего фотоаппарата.

Во всех случаях объект вашей съёмки не меняется, но вот условия очень сильно разнятся. Поэтому, чтобы составить из трёх различных фотографий одно изображение, вам нужно усреднить полученные снимки.

Что-то подобное провели и астрономы: у них на руках было несколько исходников. То есть, строго говоря, телескоп не фотографирует чёрные дыры, а собирает экзабайты данных, по которым физики строят множество исходников, из которых в итоге собирают одну картинку. Но для удобства условимся называть получившиеся изображения фотографиями.

И вот спустя два года после сбора данных астрофизики с помпой представили в 2019 году результат наблюдений за сверхмассивной чёрной дырой из галактики М87.

Вообще-то научное сообщество ожидало, что коллаборация покажет сперва сверхмассивную чёрную дыру в нашей Галактике, но сначала астрономы решили рассмотреть более крупный объект, который к тому же известен своими красивейшими релятивистскими джетами, вырывающимися из центра галактики.

Ну а затем спустя три года астрофизики провели ещё одну пресс-конференцию, на которой показали второе изображение, полученное Телескопом Горизонта Событий. В этот раз мы увидели сверхмассивную чёрную дыру нашей Галактики. Сравните эти изображения с моделями – если не считать размытия, то реальное фото очень похоже на модели, что сильно обрадовало учёных.

Если далёкий от астрономии человек посмотрит на эти изображения, то он вряд ли сразу поймёт, насколько значимыми оказались достижения науки, которая смогла их получить. Однако это не просто два размытых пятна – нет, это чрезвычайно точные изображения экзотических объектов, которые очень далеки от нас и очень малы на небесной сфере. Важность наблюдений заключается в том, что эти объекты, судя по всему, создали свои галактики. Как бы громко это ни звучало, похоже, что сверхмассивная чёрная дыра – это фундамент всей галактики, без которого ни наша планета, ни мы с вами не смогли бы существовать.

В конце концов, космос настолько велик и небесные тела удалены друг от друга так сильно, что напрямую мы наблюдаем совсем немного объектов: подавляющее большинство звёзд, экзопланет и даже некоторых галактик мы видим в лучшем случае — в виде ярких точек, а в худшем — по косвенным признакам.

Конечно, у астрофизиков на вооружении спектроскопия или гравитационная астрономия, но всё же именно «изображений» у нас не так и много, какими бы они ни были. Поэтому так важно получать подобные фотографии, поскольку несмотря на относительную нечёткость изображения, они дают учёным колоссальный объём полезной информации.

Итак, у нас теперь есть уже два изображения сверхмассивных чёрных дыр. И несмотря на то, что Стрелец А* во Млечном пути более, чем в полторы тысячи раз легче, чем объект в галактике М87, оба изображения примерно одинаковы. Как мы уже выяснили — одна чёрная дыра действительно очень похожа на любую другую. Общего у сфотографированных чёрных дыр тоже немало: во-первых, они повёрнуты нам практически картинной плоскостью — то есть, почти перпендикулярно к нам, наблюдателям на земле. Во-вторых, в центре обоих изображений находится тень самой чёрной дыры, окружённая аккреционным диском, на котором видны несколько сгустков.

В формате коротких вопросов и больших ответов попробуем разобраться в деталях обоих изображений.

Наверно, это первый вопрос, который задавал себе каждый человек, который впервые увидел эти фотографии. А дело вот в чём: сверхмассивная чёрная дыра М87 размером с нашу Солнечную систему и весит колоссальные 6,5 миллиардов солнечных масс. Но находится она в 55 миллионах световых лет. Для сравнения — до ближайшей к нам крупной галактики Андромеды всего 2,5 миллиона световых лет.

Короче говоря, на таких расстояниях М87 чрезвычайно мала. Её диаметр на небесной сфере равен 42 угловым микросекундам, что всего лишь в два раза больше, чем угловое разрешение интерферометра EHT. Представьте себе картинку, состоящую из двух пикселей. Много ли информации удастся получить от такого изображения? Фото чёрных дыр говорит, что очень много.

Что ж, если М87 так далеко, то почему тогда столь близкий к нам Стрелец А* тоже размытый? Как мы уже выяснили, эти изображения не совсем фотографии: каждое из этих изображений составлено из данных отдельных наблюдений. Поскольку вещество вокруг М87 движется по орбите в течение нескольких недель, то отдельные полученные изображения достаточно легко усреднить. А вот вещество вокруг Стрельца А* движется очень быстро. На один оборот вещество вокруг чёрной дыры Млечного пути тратит несколько десятков минут! Да, далеко не всё в космосе измеряется миллионами лет. Ну а поскольку визуально объект постоянно меняется, то учёным потребовалось разработать сложные алгоритмы, усредняющие общую картину.

Кроме того, центр нашей Галактики закрыт от прямого наблюдения колоссальным количеством пыли и ионизированного газа. Пыль неизбежно поглощает часть света, а свободные электроны ионизированного газа рассеивают свет в радиодиапазоне, который принимает интерферометр, меняя направление движения лучей. Из-за этого даже статичное изображение размывалось бы и темнело. Что уж говорить про постоянно изменяющийся газ вокруг Стрельца А*.

Немного занимательной математики: сверхмассивная чёрная дыра М87 примерно в полторы тысячи раз больше, чем Стрелец А* как по массе, так и по диаметру горизонта событий. И примерно в те же полторы тысячи раз М87 дальше от Земли, чем чёрная дыра в Млечном Пути. Из-за этого кажущийся размер тени далёкой и огромной чёрной дыры примерно такой же, как и у близкой, но маленькой.

Подобный эффект вы могли наблюдать при солнечном затмении: Луна в 400 раз меньше, чем Солнце, но и находится к Земле примерно в 400 раз ближе. Поэтому при затмениях диск Луны практически полностью закрывает диск Солнца.

Если же разместить рядышком две сверхмассивные чёрные дыры, то мы получим примерно это.

Нет, это искусственный цвет. Поскольку Телескоп Горизонта Событий воспринимает свет в радиодиапазоне, то своими глазами мы его не видим. Тем не менее, разогнанный до почти световых скоростей газ излучает во всех длинах волн от инфракрасного к видимому и дальше в сторону рентгеновского спектра. И «цвет» у столь горячего газа будет, скорее, ослепительно бело-голубым.

Чёрно-белое изображение не слишком наглядное, поэтому учёные с помощью преобразований Фурье «раскрасили» изображение так, чтобы легко можно было определить направление вращения диска и важные маленькие детали, которые очень трудно заметить на серой картинке. Почему астрономы выбрали именно оранжевые цвета, ведь они могли использовать любую цветовую схему. Да просто тёплый оранжевый приятен глазу, а ещё он близок к красному — цвету, который ближе всех расположен к радиодиапазону, в котором изначально работал интерферометр.

Мы помним, что скорость движения газа вокруг чёрной дыры может достигать 99 % скорости света. А на таких огромных скоростях очень хорошо становится заметен эффект Доплера. В чём он заключается? Вспомните, как звучит обычная сирена, установленная на машине скорой помощи. Когда она приближается к вам, то частота её звука становится выше (длина волны уменьшается), чем она есть на самом деле, а когда машина отдаляется, то частота звука сирены, наоборот, понижается (длина волны увеличивается).

То же самое происходит со светом, длины волн которого тоже изменяются. Когда яркий объект движется в нашу сторону, длина волн его света смещается в синюю часть спектра — газ кажется нам ярче. А когда объект движется от нас, то спектр «краснеет», следовательно, газ будет тусклее. У приближающегося к наиболее близкой стабильной орбите газа длина волн растягивается настолько, что никакие детекторы не способны этот свет зафиксировать — то есть, свет попросту исчезает.

На этих фото хорошо заметно, что более яркие пятна — это место, где газ аккреционного диска движется в нашу сторону, а в тусклых пятнах газ, наоборот, отдаляется от нас.

Этот вопрос совсем не очевиден, но он скрывает под собой по-настоящему головоломный ответ. Итак, тень на фотографии действительно больше её горизонта событий, но почему так получилось? Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что чёрные дыры — это релятивистские объекты. То есть, на них наиболее красочно заметны эффекты теории относительности.

На размер тени чёрной дыры повлияли два эффекта: экстремальное искривление пространства и замедление времени возле массивного объекта. Начнем с замедления времени.

Предположим, что у нас есть два наблюдателя, назовём их мистер Купер и мисс Брэнд.

Мисс Брэнд — внешний наблюдатель, которая находится достаточно далеко от чёрной дыры и наблюдает, как Купер храбро падает на чёрную дыру.

Для мисс Брэнд её часы будут идти как обычно, а вот часы мистера Купера, как ей кажется, будут идти всё медленнее и медленнее.

У падающего на чёрную дыру Купера для него самого с часами всё в порядке, а вот часы мисс Брэнд с его точки зрения, наоборот, начнут ускоряться. И для самого Купера его падение продолжится как обычно.

Вообще-то такой же эффект наблюдается и с нашей Землёй — время на поверхности идёт медленнее, чем на высоте, где находятся спутники GPS, поэтому при работе навигационных систем необходимо эту разницу учитывать. Однако возле чёрной дыры эффект замедления времени становится настолько экстремальным, что рано или поздно Брэнд заметит, что часы Купера полностью остановятся. Так что же получается, для неё несчастный Купер будет вечно падать в чёрную дыру?

Ну строго говоря, для внешнего наблюдателя так и есть. Вообще, именно из-за этой остановки времени все чёрные дыры, в том числе сфотографированные, следует называть «кандидатами в чёрные дыры», ведь наблюдателю со стороны кажется, что вещество, которое их сформировало, до сих пор падает к их центру. Но почему же мы тогда не видим на изображениях вместо тени огромное количество вещества, которое вечность падает на горизонт событий? Всё благодаря ещё одному физическому эффекту.

Почему Брэнд вообще видит Купера? Потому что её глаза видят или отражённый от его скафандра свет, или свет, излучённый его карманным фонариком.

Но эффект Доплера, который влияет на яркость аккреционного диска, распространяется и на Купера. Поскольку он отдаляется от Брэнд, то его свет для неё тоже смещается в красную часть спектра и постепенно тусклеет.

К тому же и скафандр, и фонарик Купера, пока он падает на горизонт событий, испустят конечное количество фотонов, потому что колебания молекул, вызывающие свечения, будут происходить всё реже. И чем ближе он к бездне чёрной дыры, тем меньше фотонов доходит до глаз мисс Брэнд и тем больше время между одним фотоном и следующим. Так что Купер не только покраснеет, но и будет казаться для Брэнд всё темнее и темнее, пока его «изображение» не сольётся с тьмой чёрной дыры.

А так как Брэнд никак не способна взаимодействовать с Купером, потому что сигнал к нему идёт, а обратно не возвращается, то можно сказать, что для мисс Брэнд мистер Купер окончательно упал на чёрную дыру. Где он на самом деле находится прямо сейчас, согласно часам Брэнд, уже не имеет значения, ведь она его уже не видит, не взаимодействует и никак не может повлиять на его возвращение наружу.

Даже если Брэнд бросится спасать Купера, она его уже не догонит и не сможет увидеть: чем ближе она будет приближаться к нему, тем быстрее начнут двигаться его часы, а значит, его падение для Брэнд начнёт ускоряться. Так что когда девушка доберётся до горизонта событий, то Купер для неё уже успеет пересечь горизонт, а оттуда, как мы знаем, уже ничто не может вернуться.

То же самое касается вещества, падающего на чёрную дыру, которое слилось в единое целое с чёрной дырой. Так как эффект Доплера срабатывает задолго до приближения вещества к горизонту событий, то газ аккреционного диска, приближающийся к минимальной стабильной для чёрной дыры орбите, краснеет и тусклеет, из-за чего мы перестаём его видеть.

Что ж, с остановкой времени мы разобрались, но что насчёт искривления пространства? Сперва давайте вспомним, что ничто массивное покинуть чёрную дыру не может. Но ведь у частиц света — фотонов — массы нет. То есть, по логике они никак не взаимодействуют с чёрной дырой. Почему же тогда фотоны не пролетают её насквозь?

Ответ чуть сложнее, чем кажется на первый взгляд. Дело в том, что фотон сам поворачивать не умеет. Проще говоря: куда его фонарик направил, туда он и полетит, пока что-нибудь этот фотон не поглотит. И пока рядом нет ничего тяжёлого, фотон летит по прямой линии пространства. Однако чёрная дыра так сильно его искривляет, что прямая линия фотона тоже становится кривой. Следите за руками: для наблюдателя со стороны фотон начинает поворачивать, но для него самого поворачивает не он, а ткань пространства, в котором он движется.

Из школьной геометрии мы знаем, что прямая линия — кратчайший путь. Но наше пространство, на самом деле, куда сложнее, и в нём «прямые» иногда становятся длиннее «кривых». Такое пространство называется «пространством Минковского» и с помощью своей зубодробительной математики описывает не только «длину», «ширину» и «высоту», но и время, объединяя эти четыре параметра в единое целое — пространственно-временной континуум.

Так что из всего этого следует? Представьте себе обычный блин, который готовит бабушка на масленицу. Вы можете посмотреть на него сверху, можете снизу, а можете и с ребра. Но как бы вы ни крутили блинчик в руках, вам не удастся, не сгибая его, увидеть одновременно верх и низ – только что-то одно.

А теперь давайте ещё раз посмотрим на модель чёрной дыры из фильма «Интерстеллар».

На переднем плане мы видим этот космический блинчик с ребра, но там, где он заворачивает за угол чёрной дыры, он словно разделяется на две дуги: верхнюю и нижнюю. На самом деле, это всё тот же самый блин и в реальности он не разрывается. Однако из-за искривления пространства свет от диска изгибается так, что мы одновременно видим и верх блина над дырой, и его низ под дырой! Искривление даёт нам увидеть те детали объекта, которые мы могли бы наблюдать только в том случае, если бы облетели его с другой стороны.

Точно так же искажается тень самой чёрной дыры. Разница в том, что её аккреционный диск светится, а вот чёрная дыра поглощает весь свет – в том числе тот, который подошёл слишком близко к горизонту событий.

Продолжим нашу съедобную аналогию: пусть тень чёрной дыры — это подгоревший блинчик. Если вы повернёте обычный блин картинной плоскостью к себе, то вы сможете рассмотреть его переднюю поверхность, а тыльную увидеть вы не сможете.

Но искривление пространства чёрной дыры позволяет вам это сделать. Центр наблюдаемой тени — это верхняя поверхность блина, а вот края этой тени — его обратная сторона. Короче говоря, с какой бы стороны вы ни посмотрели на горизонт событий, вы увидите все точки его «поверхности» одновременно.

Происходит это потому, что весь свет, который приблизится к чёрной дыре на расстояние ближе, чем 2,6 радиуса её горизонта событий, уже не сможет убежать от неё. А значит, и для нас тень будет примерно в 2,6 раза больше, чем она есть на самом деле.

В случае с М87 всё очень просто — астрофизики специально подбирали для наблюдения чёрную дыру, галактика которой повёрнута к нам такой плоскостью.

А вот со Стрельцом А* астрономы ожидали увидеть чёрную дыру с ребра, ведь мы наблюдаем весь Млечный путь тоже с ребра. Соответственно, и на фото аккреционный диск должен был быть похожим на модель чёрной дыры из фильма «Интерстеллар».

Но по какой-то причине диск сверхмассивной чёрной дыры в нашей Галактике оказался повёрнут на неопределённый угол от 30 до 60 градусов к наблюдателю на Земле. Не определён он потому, что у нашей чёрной дыры нет отчётливых джетов, по которым легко определить, как ориентирована в пространстве она сама. Единственное, в чём мы точно уверены, так это в том, что плоскость орбиты аккреционного диска вокруг Стрельца А* не совпадает с плоскостью вращения Млечного Пути. Правда, пока мы не знаем, почему.

Нет, это горячие сгустки газа аккреционного диска, вращающегося вокруг чёрной дыры. Газ не однороден, и в одних местах он нагревается сильнее из-за более сильного трения молекул газа, а в других — слабее. При этом нужно помнить, что скорость движения аккреционного диска вокруг Стрельца А* очень высокая, так что, когда учёные работали над изображением, они использовали исходники, на которых один и тот же сгусток газа мог находиться в разных местах.

В общем, возможно, это вообще один и тот же сгусток, просто сфотографированный интерферометром в разное время наблюдений.

А вот звёзды так близко к чёрной дыре находиться не могут и вот почему. Взгляните на знаменитую анимацию движения звёзд вокруг Стрельца А*.

Их не видно на фотографии, потому что на самом деле эти звёзды достаточно далеко от сверхмассивной чёрной дыры. Ведь если хотя бы одна из звёзд приблизится достаточно близко к горизонту событий, то приливные силы разорвут её на части. Происходит это из-за чрезвычайной неоднородности гравитации чёрной дыры — чем ближе к горизонту событий находится объект, тем сильнее он притягивается.

Притяжение сверхмассивной чёрной дыры растягивает приближающийся к ней объект в струнку, разрывая межмолекулярные соединения экстремальной гравитацией. Такой эффект так и называется — спагеттификация. Только представьте, огромный плазменный шар буквально за месяц разрывается на части, одаряя окрестности яркой агонизирующей вспышкой… Наверняка это зрелище жуткое, но захватывающее дух.

Впрочем, сверхмассивные чёрные дыры не повредят нашему Куперу – во-первых, их горизонт событий очень далёк от загадочной сингулярности в самом центре, а, во-вторых, Купер слишком мал в размерах, чтобы ощутить на себе эффект спагеттификации. Растяжение в макаронину грозит мистеру Куперу только в том случае, если ему вздумается падать на маленькую чёрную дыру звёздной массы.

Давайте ещё раз посмотрим на модель чёрной дыры.

Вокруг чёрного горизонта событий отчётливо видно тонкое белое кольцо. Там нет вещества — только фотоны, которые попали в своеобразную ловушку. Они вращаются по кругу по минимально возможной стабильной орбите вокруг чёрной дыры, образуя так называемую фотонную сферу, которую мы видим, как кольцо.

Если бы наш Купер попал в это кольцо, то он мог бы увидеть свет, отражённый от его собственного затылка, а если бы он достаточно быстро успел обернуться — то смог бы взглянуть самому себе в лицо. Так происходит, потому что фотоны бегут по кругу. Пространство здесь настолько чудовищно искривлено, что траектории лучей света замыкаются в круг. А все траектории движения фотонов ближе, чем это кольцо, устремляются напрямую в чёрную дыру.

На фотографиях это фотонное кольцо не видно, потому что оно чрезвычайно тонкое — разрешения интерферометра ЕНТ просто не хватает, чтобы его увидеть. Тем не менее, если мы сможем повысить разрешение обсерватории, нам удастся запечатлеть не только аккреционный диск во всех подробностях, но и это фотонное кольцо.

Разрыв звёзд приливными силами чёрных дыр астрономы наблюдают в виде точечных событий и по изменениям яркости центров галактик или двойных систем, в которых чёрные дыры разрывают близкие звёзды, но, возможно, что ЕНТ сможет сфотографировать это событие.

После успеха астрономов с двумя изображениями к ЕНТ присоединились обсерватории в Аризоне, Гренландии и Франции. Благодаря новым телескопам в коллаборации физики смогут наблюдать объекты, которые в два раза меньше нашей сверхмассивной чёрной дыры и почти в 2,5 раза тусклее. Возможно, что благодаря последним наблюдениям учёные смогут понять, откуда именно вырывается гигантский джет из М87.

А если бы число обсерваторий превышало сотню, то каждый элемент успевал бы собрать достаточно данных за короткое время, а это значит, что изменчивость Стрельца А* не доставила бы никаких проблем. Более того, из таких изображений астрофизики смогли бы даже смонтировать короткий фильм с движением газа вокруг чёрной дыры. Только представьте — мы можем увидеть, как «дышит» этот монстр, который, несмотря на свой грозный характер, повлиял на формирование нашей Галактики.

Могут ли другие телескопы рассмотреть чёрные дыры? Например, космический телескоп имени Джеймса Уэбба? Ну вообще-то нет: угловое разрешение любого телескопа слишком большое, чтобы рассмотреть столь маленькую на таком расстоянии тень чёрной дыры. На том же расстоянии, что и Стрелец А*, Уэбб сможет увидеть объекты, которые минимум в 300 раз больше, чем тень чёрной дыры. Поэтому в центре Галактики он сможет увидеть звёзды, которые скрываются за гигантскими клубами космической пыли, но не тень сверхмассивной чёрной дыры. Именно поэтому проект «Event Horizon Telescope» так важен для астрономии и для науки, ведь только благодаря ему мы воочию можем наблюдать самые простые и в то же время самые загадочные объекты во Вселенной.

#космос #лонг