15 Апреля 2019

Ученые впервые получили снимки черной дыры

Опубликовал К.Н. Крупенченкова

Ученые давно заявляли о существовании черных дыр, но не могли предоставить никаких визуальных доказательств этого феномена. Теперь же астрономам впервые удалось сделок снимки черной дыры галактики M87. Для этого были использованы сверхмощные радиоинтерферометры – системы из нескольких радиотелескопов, связанных между собой и работающих синхронизировано. 

"

Новости науки » Статьи » Впервые получено изображение черной дыры

Впервые получено изображение черной дыры

   | 

Представьте, что вам известен человек, которого вы никогда не видели воочию, но много знаете о его поступках, лично наблюдали результаты его действий, слышали о нем от знакомых и настолько хорошо узнали его, что можете даже предсказать, что он сделает в той или иной ситуации. Такое положение сохраняется много лет, но вдруг наступает день, когда вам показывают фотографию этого, с одной стороны, никогда вами не виденного, а с другой – уже хорошо знакомого человека. Именно это произошло 10 апреля, когда астрономы продемонстрировали миру первое в истории прямое изображение черной дыры и ее тени.

Черная дыра в галактике Мессье 87. Это первое в истории фото черной дыры© Event Horizon Telescope Collaboration/National Science FoundationЧерная дыра в галактике Мессье 87. Это первое в истории фото черной дыры
© Event Horizon Telescope Collaboration/National Science Foundation

Каким бы странным это ни показалось, формально черные дыры до сих пор оставались неоткрытыми, в ранге гипотезы. Я еще помню, как астрономы говорили, что в центре той или иной галактики находится «возможная черная дыра» или «объект – кандидат в черные дыры». Но с годами накапливалась всё больше наблюдений, которые могли быть объяснены только наличием черных дыр. Уверенность ученых росла, и постепенно оговорки были оставлены.

Хотя далеко не все детали физических свойств черных дыр и их эволюции уже объяснены астрофизиками, о черных дырах известно уже многое. Мы знаем о двух типах черных дыр. Первые находятся в тесных двойных системах и обнаруживаются по потоку вещества, падающего на черную дыру со второго компонента системы – звезды. Вещество в данном случае образует так называемый аккреционный диск и разогревается до высоких температур, так что астрономы регистрируют испускаемое этим диском излучение. Такие черные дыры невелики, их масса обычно составляет несколько масс Солнца. Совсем недавно появился еще один метод обнаружения черных дыр звездной массы – регистрация гравитационных волн, возникающих, когда две черные дыры сливаются в одну.

Другие черные дыры значительно крупнее, в миллионы и даже в десятки миллиардов масс Солнца. Такие черные дыры находятся в центрах галактик (точнее, в центрах галактик, имеющих балдж – “вздутие” в середине галактического диска). Сверхмассивные черные дыры тоже втягивают в себя окружающее вещество, формируя аккреционный диск. Благодаря таким дискам центры галактик со сверхмассивными черными дырами имеют огромную светимость, иногда она в десятки или даже сотни раз может превосходить светимость всех звезд такой галактики, как Млечный путь. Именно по этому излучению их и обнаружили в конце 1950-х – начале 1960-х годов. Тогда ученые еще не успели понять, с чем имеют дело, и назвали открытые объекты квазарами (квазизвездными радиоисточниками).

В 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт сумел объяснить спектры квазаров, обнаружив в них красное смещение, что позволило определить расстояния до них. Оказалось, что квазары – не только самые яркие, но и самые далекие известные астрономам объекты, находящиеся в миллиардах световых лет от Солнечной системы. Объяснить огромную энергию квазаров смогли Яков Зельдович и Эдвин Солпитер, предположившие, что ее источниками служат аккреционные диски сверхмассивных черных дыр.

Следить за сверхмассивными черными дырами можно, наблюдая за поведением объектов (звезд, облаков газа) в их окрестностях. Такие наблюдения позволяют с довольно высокой точностью определить массу черной дыры. Сейчас известно уже довольно много таких черных дыр в центрах разных галактик. Более того, астрономы предполагают, что сверхмассивная черная дыра имеется в центре любой галактики с достаточно крупным балджем. Есть черная дыра и в центре Млечного пути, ее масса, составляющая около четырех миллионов масс Солнца, вычислена по движению окружающих звезд.

Еще одна хорошо знакомая астрономам сверхмассивная черная дыра находится в центре эллиптической галактики M87 в созвездии Девы. Она значительно крупнее “нашей” черной дыры (около 6,5 миллиардов масс Солнца, по этому показателю она уступает лишь черным дырам в галактиках NGC 3842 и NGC 4889 с массами в 9,7 и 27 миллиардов масс Солнца), но находится на куда большем расстоянии – примерно 55 миллионов световых лет. Диск из ионизированного газа вокруг этой черной дыры вращается со скоростью около 1000 километров в секунду, а его диаметр равен примерно 0,39 световых лет.

Именно черная дыра галактики M87 была выбрана для получения первого в истории науки изображения черной дыры. Хотя девиз «Pics or It DidntHappen» в науке не действует, задача увидеть черную дыру земными телескопами показалась им достаточно интересной, чтобы приложить значительные усилия. Конечно, не может быть и речи о том, чтобы объект, пусть и колоссально яркий, но находящийся в другой галактике за десятки миллиардов световых лет от нас, можно было увидеть в оптический телескоп. Черную дыру собирались рассматривать в радиодиапазоне.

Но и для одного радиотелескопа такая задача была слишком сложна. Дело в том, что угловая разрешающая способность радиотелескопа определяется отношением длины волны к диаметру антенны. Чем меньше это отношение, тем более близкие друг к другу объекты способен различать телескоп. Соответственно, увеличивая диаметр параболической антенны, можно улучшать эту характеристику телескопа. Но даже у телескопов с самыми большими антеннами она остается небольшой. Их угловое разрешение редко превышает 1 угловую минуту, что примерно соответствует зоркости невооруженного глаза. И излучение от двух или более источников, расположенных близко друг от друга, радиотелескоп воспринимает как один радиоисточник.

Радиоастрономы уже давно решили эту проблему. Они создали радиоинтерферометры – системы из нескольких радиотелескопов, связанных между собой и работающих синхронизировано. В таком случае угловая разрешающая способность определяется не диаметром зеркала одного телескопа, а расстоянием между телескопами (так называемой базой радиоинтерферометра). С появлением радиоинтерферометров радиоастрономия резко обогнала по разрешающей способности оптическую астрономию. Появились и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ, Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Они объединяют радиотелескопы, разнесенные на тысячи километров и находящиеся в разных странах, а часто и на разных континентах. Излучение, принятое на каждом из них, записывается и обрабатывается в едином центре.

"Именно такой радиоинтерферометр был создан для получения изображения черной дыры в галактике M87. Он получил название «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT) и объединил восемь наземных радиотелескопов: ALMA (Чили, Европейская Южная обсерватория), APEX (Чили, Европейская Южная обсерватория), 30-метровый телескоп IRAM (Сьерра-Невада, Испания), телескоп Джеймса Клерка Максвелла (Мауна-Кеа, Гавайи), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (Сьерра-Негра, Мексика), Субмиллиметровая решетка (Мауна-Кеа, Гавайи), Субмиллиметровый телескоп (Аризона, США) и телескоп на Южном полюсе (станция Амундсен – Скотт, Антарктида). В работе этой научной коллаборации участвовали более 200 исследователей", - говорит глава Научного совета EHT Хейно Фальке (Heino Falcke) из университета Рэдбуд в Нидерландах, который руководил процессом получения фото черной дыры.

«Когда черная дыра погружена в яркий диск светящегося газа, там должна образоваться темная область, напоминающая тень. Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось, – рассказал Хейно Фальке.  Эта «тень», образующаяся вследствие гравитационного искривления света и его захвата горизонтом событий, многое говорит о природе этих удивительных объектов. Именно она и позволила нам измерить гигантскую массу черной дыры в M87». Граница самой черной дыры – так называемый «горизонт событий» примерно в 2,5 раза меньше тени, в черной дыре галактики M87 он имеет диаметр чуть меньше 40 миллиардов километров.

Сами ученые считают, что это огромный шаг на пути к изучению принципа действия черных дыр.