Фото черной дыры на Млечном Пути: почему это сенсация?

Астрономы давно подозревали, что на самом деле это сверхмассивная чёрная дыра. Но в научных обсуждениях этого объекта всегда оставался хоть и небольшой, но процент сомнений по поводу его природы. А вдруг это не чёрная дыра, а что-то совершенно другое? Но снимок EHT окончательно разрешил все сомнения. Стрелец А* — действительно чёрная дыра.

Как именно было получено это историческое изображение, в чём его ценность и почему его пришлось ждать так долго? Давайте разбираться.

Загадка длиной почти в век

Ещё в 1930-е годы пионеры радиоастрономии обратили внимание на загадочные помехи, источник которых находился где-то в небе. Со временем стало понятно, что виновника нужно искать не на Земле и даже не в Солнечной системе, а где-то в центральных областях нашей галактики.

К сожалению, центр Млечного Пути скрыт плотными пылевыми облаками, поглощающими весь видимый свет. Поэтому у астрономов не было возможности посмотреть туда через телескоп и увидеть источник радиосигналов. А начавшаяся вскоре Вторая мировая заставила учёных надолго забыть о проблеме небесных помех.

После войны радиоастрономия пережила бурный рост. Были построены первые радиотелескопы современного вида, позволившие астрономам начать полноценное изучение Млечного Пути. В 1970-е выяснилось, что помехи испускает относительно компактный радиоисточник в самом центре нашей галактики. Этот радиоисточник получил обозначение Стрелец А*.

Примерно тогда же прошли первые наблюдения центра Млечного Пути в инфракрасном диапазоне (в отличие от видимого света, инфракрасное излучение проходит через пылевые скопления). Они позволили идентифицировать ряд структур в центре нашей галактики, включая звёзды и газовые облака, обращающиеся вокруг Стрельца А*.

Последующий анализ их орбит позволил определить, что масса Стрельца А* превышает массу нашего Солнца в миллионы раз. Астрономам был известен лишь один объект, соответствующий подобным характеристикам: сверхмассивная чёрная дыра.

Чёрная дыра — это область пространства-времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что ни частицы, ни электромагнитное излучение уже не могут её покинуть. Граница этой области невозврата называется горизонтом событий.

Анатомия чёрной дыры

С обывательской точки зрения чёрная дыра — это космический «пылесос», который затягивает всё, что окажется на его пути. Чёрные дыры действительно поглощают вещество и могут разрывать целые звёзды. Но надо понимать, что существует несколько видов чёрных дыр. Есть чёрные дыры звёздных масс. Они образуются в результате гравитационного коллапса звёзд-гигантов. Такие объекты — при диаметре где-то в пару десятков километров — имеют массу, в среднем лежащую в диапазоне от 5 до 50 масс Солнца.

Но чёрная дыра в центре Млечного Пути совсем не такая. По последним подсчётам, её масса в 4,2 миллиона раз превосходит массу Солнца при диаметре в 26 миллионов километров. Такие объекты называют сверхмассивными чёрными дырами. Сейчас считается, что подобные образования расположены в центрах большинства галактик. И роль таких чёрных дыр не ограничивается функцией «пылесосов».

Сверхмассивные чёрные дыры активно влияют на свои галактики. В частности, они могут подавлять процессы звездообразования и разрушать целые звёздные скопления. В то же время при некоторых обстоятельствах чёрные дыры могут выступать и в качестве «творцов». Астрономам известны случаи, когда воздействие чёрных дыр, наоборот, способствовало формированию новых звёзд. Все эти процессы играют огромную роль в эволюции галактик, что, в свою очередь, не может не сказаться на перспективах зарождения в них жизни.

Между чёрными дырами звёздных масс и сверхмассивными чёрными дырами — пропасть. И здесь кроется одна из главных тайн современной астрофизики. Теории предполагают существование и чёрных дыр средней массы. У астрономов уже есть несколько кандидатур на роль таких объектов — но даже если они и подтвердятся, имеющиеся данные говорят о том, что таких чёрных дыр всё равно значительно меньше, чем их мелких и крупных собратьев. Причина такой диспропорции остаётся загадкой.

А что будет, если прыгнуть в чёрную дыру?

Падение звезды в чёрную дыру (в представлении художника)

Никакой разговор о чёрных дырах не обходится без споров о том, что произойдёт с героическим исследователем, который захочет в неё нырнуть (оставим за скобками вопрос «зачем?»). Так можно ли пройти через горизонт событий, как в «Интерстелларе», и при этом не превратиться в спагетти?

Ответ зависит от массы чёрной дыры. Нырнуть внутрь чёрной дыры звёздной массы не получится — в силу её небольших размеров приливные силы разорвут корабль с незадачливым учёным ещё на подходе. Но с ростом массы шансы на благополучный исход увеличиваются (разумеется, дальнейшая судьба исследователя всё равно будет весьма печальна). 

Радиус крупнейших чёрных дыр во Вселенной сопоставим с радиусом Солнечной системы. Приливные силы у границы горизонта событий таких дыр относительно невелики, что даёт теоретическую возможность преодолеть его в виде единого целого. Но мы бы всё равно не рекомендовали так делать, если вы не Мэттью Макконахи.

Чёрные дыры поглощают всё, что пересекает их горизонт событий. Их гравитация настолько мощна, что за её пределы не может выбраться даже свет. Поэтому сингулярность в прямом смысле невозможно увидеть. Возникает вопрос: если чёрные дыры невидимы, откуда исходит испускаемое Стрельцом А* радиоизлучение? И что в таком случае запечатлено на недавнем снимке?

Да, сами по себе чёрные дыры ничего не излучают (в теории они могут испускать излучение Хокинга, но оставим такие подробности для другого раза). Но дело в том, что поглощение вещества не происходит мгновенно. Захваченная материя движется по орбите вокруг чёрной дыры, образуя аккреционный диск. Частицы вещества в этом диске постоянно сталкиваются друг с другом, что ведёт к его сильному разогреву, который, в свою очередь, приводит к образованию излучения в различных диапазонах электромагнитного спектра — и это излучение выдаёт присутствие чёрной дыры. 

Более того, в некоторых случаях часть вещества из аккреционного диска может выбрасываться наружу в виде джетов (полярных струй). Они движутся с околосветовыми скоростями и могут иметь протяжённость в тысячи световых лет, играя роль своеобразных галактических маяков.

Так что, хоть мы и действительно физически не можем увидеть саму чёрную дыру, мы можем увидеть её «тень» — тёмный силуэт внутри светящегося аккреционного диска, который соответствует контуру чёрной дыры и прилегающим областям. А если этот силуэт можно увидеть, значит, его можно и сфотографировать.

Телескоп горизонта событий

Астрономы со всего мира давно мечтали получить фотографию силуэта чёрной дыры. Проблема в том, что ни один из существующих оптических телескопов не обладает достаточным разрешением, чтобы выполнить эту задачу. Учёные нашли выход — создать виртуальный радиотелескоп размером с земной шар.

Суть идеи в том, что один и тот же объект одновременно наблюдается несколькими  радиообсерваториями. Затем их данные с указанным точным временем наблюдения (для этого используются атомные часы) сводятся воедино и обрабатываются при помощи специальных алгоритмов. Это даёт возможность создать виртуальный аналог телескопа, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными телескопами.

Именно эта идея и легла в основу проекта «Телескоп горизонта событий», объединившего свыше 300 учёных из шести десятков научных учреждений по всему миру. Непосредственная задача — получить изображение силуэта чёрной дыры — была возложена на восемь обсерваторий, расположенных на четырёх континентах.

EHT провёл исторические наблюдения в 2017 году. В общей сложности в их ходе было собрано 4 петабайта данных. Поскольку это слишком большой объём, чтобы его можно было переслать через Интернет, отправка данных осуществлялась физически — путём перевозки жёстких дисков.

Помимо Стрельца А*, в 2017 году EHT также заснял центр галактики М87. В ней есть поистине гигантская чёрная дыра, чья масса в 6,5 миллиарда (не миллиона!) раз превосходит массу нашего Солнца. Изображение её тени было опубликовано в 2019 году и стало одним из самых ярких научных событий года.

Расстояния между обсерваториями EHT стали одной из причин, почему так много времени потребовалось на получение снимков чёрных дыр. Так, расположенный на Южном полюсе радиотелескоп SPT провёл наблюдения в апреле 2017 года — но собранные им данные удалось доставить на Большую землю самолётом лишь в декабре.

Почему же мы увидели снимок далёкой М87 на три года раньше, чем фотографию находящегося практически по соседству Стрельца А*? Ведь они имеют примерно одинаковый угловой размер на небе. М87 в 1600 раз больше Стрельца А*, но последний почти в 2000 раз к нам ближе.

Всё дело в размерах самих чёрных дыр. Измерения показали, что газ в окрестностях обоих гравитационных монстров движется с одинаковой скоростью, почти равной скорости света. Но на то, чтобы совершить один оборот вокруг намного большей по размеру дыры в центре галактики M87 (радиус её горизонта событий — 18 миллиардов километров, втрое больше расстояния между Солнцем и Плутоном), ему требуется от нескольких дней до нескольких недель. По словам участников проекта, снимки, сделанные с недельным интервалом, практически не отличались. Это существенно упростило задачу их обработки и сведения в единый «портрет».

Стрелец А* намного меньше по размерам, и газ совершает один оборот вокруг него буквально за минуты. Из-за этого яркость и структура аккреционного диска чёрной дыры в центре нашей галактики менялась с интервалом от 5 до 15 минут, что серьёзно осложняло задачу построения единого изображения.

Исследователям пришлось сделать тысячи снимков Стрельца А* и разработать сложные алгоритмы и программы, чтобы смоделировать особенности движения газа вокруг него. Изображения чёрной дыры усреднялись по многим отдельным визуализациям. Это потребовало внушительных компьютерных мощностей и заняло немало времени. Но в конце концов 12 мая земляне сумели впервые увидеть тень чёрной дыры, затаившейся в центре нашей галактики.

Фотография века

Несмотря на внушительную разницу в размерах двух чёрных дыр, в целом изображение тени Стрельца А* вполне согласуется со снимком М87. Мы видим светящееся кольцо газа, окружающее область, откуда не может вырваться даже свет. Это хорошая новость для общей теории относительности Эйнштейна. Размер сфотографированного EHT кольца в точности согласуется с её предсказаниями.

В самом кольце можно увидеть три ярких региона. По словам участников проекта, они видели схожие образования на всех снимках Стрельца А*, но каждый раз в разных частях диска. Скорее всего, это артефакты метода интерферометрии, который учёные использовали для построения изображения. Компьютерная реконструкция также показала, что с большой долей вероятности чёрная дыра в центре нашей галактики вращается против часовой стрелки вдоль оси, которая примерно направлена в сторону Земли.

Снимок Стрельца А* стал ещё одним подтверждением основ ОТО. Теория старины Эйнштейна вновь выдержала проверку практикой, а учёные наконец-то смогут говорить, что в центре нашей галактики находится чёрная дыра, не добавляя «вероятно» или «скорее всего».

Более того, теперь в распоряжении астрономов есть изображения сразу двух чёрных дыр, которые сильно отличаются по размерам и активности. Если гигант в центре М87 выбрасывает гигантские джеты, то наш родной Стрелец А*, наоборот, находится в состоянии относительного покоя. Это даёт астрофизикам возможность проводить сравнения и использовать их для тестирования своих теорий и моделей. И, наконец, не стоит забывать про экзотические астрономические гипотезы вроде мостов Эйнштейна — Розена или белых дыр. Теоретически со временем EHT может увидеть такие объекты. Если они, конечно, существуют.

С 2017 года EHT пополнился несколькими новыми обсерваториями, в то время как многие из его «базовых» телескопов прошли модернизацию, повысившую их технические возможности. Участники проекта говорят, что их основные задачи на ближайшие годы — поиск возможных джетов Стрельца А*, а также получение первого в истории видео чёрной дыры. 

А потом — кто знает? Вероятно, настанет день, когда на одном из снимков EHT астрономы увидят кротовую нору или даже ещё что-то более удивительное.