Как сфотографировать черную дыру?
Ученые полагают, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра, но пока астрофизики не знают этого наверняка. Развеять их сомнения должен межконтинентальный виртуальный Телескоп горизонта событий — The Event Horizon Telescope (EHT).
Мы живем на планете Земля, и нам трудно представить размеры Галактики или даже Солнечной системы. Полет в космос, на орбиту МКС, — это 400 км вверх, а на Луну — 400 тыс. км, в 1000 раз дальше. Свет от Солнца проходит 150 млн км, прежде чем попасть в атмосферу нашей планеты. Автоматические межпланетные станции, которые бороздят просторы Солнечной системы и даже вышли за ее пределы (по данным НАСА — «Вояджер-1»), улетели от нас на 10 млрд км, в 100 раз дальше, чем от Земли до Солнца. Если за 1 см на метровой линейке принять расстояние от Земли до Солнца, то до Вояджера будет 1 метр.
Предполагаемый размер Солнечной системы (с облаком комет Оорта) — от 1 до 3 световых лет, то есть свет с одного края до другого летит больше года.
А чтобы добраться до центра Млечного Пути, нам придется покрыть дистанцию в 26 тыс. световых лет! Если взять всю Солнечную систему за 1 мм, то это расстояние уместится на 10-метровой ленте.
Чтобы оценить размеры Галактики (а Солнце находится на периферии), достаточно совершить один оборот вокруг ее центра, который займет 230 млн лет! Если бы мы начали считать в те далекие времена, когда нашу планету еще населяли динозавры, то сейчас мы как раз завершили бы первый виток. Неплохое путешествие. С момента образования Земли Солнечная система сделала примерно 20 оборотов вокруг центра Галактики со средней скоростью около 850 тыс. км/ч. Естественно, это приблизительное значение, полученное на основе наблюдений и расчетов.
Скорости звезд на периферии Галактики и близко к ее центру практически не различаются — вероятно, из-за того, что, кроме обычной материи, пространство заполнено также темным веществом (пока это гипотеза), которое и «разгоняет» тела на окраинах нашей «островной вселенной».
Правда, в самом центре Млечного Пути звезды уже движутся в 2, 3 и даже в 20 раз быстрее Солнца. Происходит это потому, что здесь, по предположениям ученых, находится сверхмассивный компактный объект — возможно, черная дыра (ЧД), которая обладает огромной массой и заставляет ближайшие к ней тела лететь вокруг нее с огромными скоростями, чтобы они могли оставаться на своих орбитах. Примерно как если бы вы держали кого-то за руки и раскручивались, только вместо хватки — огромная сила притяжения.
Слово «сверхмассивный» означает, что этот объект в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз тяжелее Солнца или обычных так называемых черных дыр звездной массы (для удобства введем сокращение ЧДЗМ), сопоставимых по «весу» с любым светилом в Галактике. А еще астрономы любят считать массы других объектов во Вселенной в массах Солнца.
Перед тем как говорить о сверхмассивных черных дырах (СМЧД), стоит разобраться, что же такое черная дыра вообще, почему именно этот объект может находиться в центре Млечного Пути, а не какой-либо другой.
Любое тело во Вселенной обладает фундаментальной характеристикой — массой. Дальше идет радиус объекта, или его размер. Масса любой звезды вряд ли превышает 300 масс Солнца (R136a1 является самой «тяжелой» из найденных на сегодняшний день — примерно 315 масс Солнца), а вот ее радиус может быть практически каким угодно — от десятков (у белых карликов и нейтронных звезд) до миллиардов километров (UY Щита имеет диаметр 2,4 млрд км, а «весит» всего около 10 масс Солнца).
Самые крупные по размеру звезды обладают сверхмалой плотностью, потому и масса у них относительно невелика. Упомянутая UY Щита превосходит по объему Солнце в 5 млрд раз, а значит, средняя плотность ее вещества в миллионы раз меньше.
С черными дырами дело обстоит иначе. К примеру, если превратить Солнце в одну из них, то при прежней массе ее размер будет всего лишь 3 км, а Земля и вовсе «скукожится» до 1 см.
Естественно, ни наше светило, ни — уж тем более — планета, на которой мы живем, никогда черными дырами не станут: им недостаточно массы, чтобы под действием гравитации так сильно уплотниться. Подобная участь ждет только увесистые звезды (от 15 масс Солнца) в конце их эволюции после исчерпания материала для термоядерных реакций, когда внутреннее давление уже не сможет удерживать внешние слои и они начнут падать в центр. В противном случае центр превратится в нейтронную звезду, а внешние слои будут выброшены — произойдет вспышка сверхновой. Все зависит только от первоначальной массы объекта.
Как возникают ЧДЗМ, более-менее понятно. А вот процесс формирования сверхмассивных черных дыр, к сожалению, ученые пока еще представляют себе достаточно смутно. Существуют две основные гипотезы: 1) постепенное наращивание массы в результате падения вещества на ЧДЗМ; 2) коллапс больших газовых облаков и их превращение в звезду массой в несколько сотен тысяч масс Солнца или больше.
То есть в центре Галактики, по наблюдениям ученых, должен быть компактный объект размером в несколько миллионов километров (не меньше 12 млн, но до 6 млрд) и массой в несколько миллионов масс Солнца — то есть как UY Щита, но в 500 тыс. раз тяжелее. Это не может быть звезда, иначе она просто превратилась бы в черную дыру (что и происходит с телами в 15–20 масс Солнца — а тут несколько миллионов!).
По фантастическим фильмам и научно-популярной литературе мы знаем, что к черным дырам лучше не приближаться: у них есть некий горизонт событий — преодолев эту черту, вы уже не сможете вернуться назад… Да и на подлете вас разорвет на атомы приливными силами, а еще раньше — убьет смертоносным рентгеновским излучением от газа, который вращается вокруг черной дыры. Что и говорить, перспектива жить около такого космического монстра не очень-то радужная.
Проще всего представить горизонт событий как точку невозврата для самолета — линию, пролетев которую он уже не сможет вернуться на аэродром, так как ему не хватит топлива. Или как наш земной горизонт: когда корабль уплывает за него, мы перестаем видеть судно.
Это воображаемая черта: земной горизонт не имеет поверхности, точно так же как черная дыра и некоторые другие тела. Даже Солнце «кипит», и у него нет четкой границы. Естественно, это лишь аналогия, на самом деле мы можем очертить некий объем и сказать, что вот здесь оно есть, а тут его уже нет.
Что касается черной дыры, то «столкнуться» с ее поверхностью, как с Землей, Луной или даже с «кипящим» Солнцем, у нас не получится — мы просто будем падать до самой сингулярности (ее центра) всё быстрее и быстрее.
Свет, попадающий в ЧД, не может отразиться от поверхности, поскольку ее просто нет. Если фотоны летят по траектории, которая проходит через горизонт событий, мы уже не увидим их никогда и для нас в этом месте ничего не будет — одна чернота. Представьте себе коробку, изнутри покрытую черным бархатом, с проделанным в ней отверстием. Оно не имеет поверхности, но луч света, попадающий в него, уже не вернется к нам обратно. И мы видим черный кружок — или, если говорить о космосе, черную дыру.
Хотя свет и не имеет массы покоя, он обладает энергией, с которой в рамках Общей теории относительности (ОТО) взаимодействует гравитация, а значит, фотоны тоже будут притягиваться к ЧД. Ее масса искривляет пространство-время. Луч света, двигаясь по нему, попадает в ее власть. Он может устремиться прямиком в центр дыры сквозь горизонт событий и «кануть» там, стать недоступным для наших взоров. Если же фотоны миновали этот зловещий объект, их траекторию все равно изменит его гравитация. Тогда мы увидим искаженный фон и нечто темное в центре — это и будет черная дыра.
Такой эффект называется «гравитационным линзированием». Искривленное за счет массы объекта пространство-время выступает в качестве линзы — меняет направление фотонов. Если ЧД будет проходить на фоне яркой звезды, то свет от нее исказится и мы сможем по этой картине определить массу объекта-линзы и косвенно доказать существование само́й черной дыры.
В 2016 году ученые получили подтверждение существования ЧДЗМ. Это практически прямое наблюдение таких объектов, правда не в оптике, а посредством регистрации волн пространства-времени гравитационно-волновыми обсерваториями.
Кроме двух уже названных типов, ученые выделяют также черные дыры промежуточной массы (их название говорит само за себя), которые, возможно, находятся в центре шаровых звездных скоплений, а также первичные ЧД, предположительно возникшие при зарождении Вселенной, после Большого взрыва. Но пока никаких серьезных наблюдательных данных по этим двум типам нет и они являются лишь гипотетическими.
Известный популяризатор науки астрофизик С. Б. Попов отмечает, что существует два подхода к этому понятию, а потому возникает определенный дуализм: «Для физика черная дыра — это объект, обладающий определенными внутренними свойствами. Самым главным и интересным является наличие горизонта.
Черная дыра — это не совсем предмет, это некая область пространства, у которой есть граница, но нет поверхности. Для астрофизика черная дыра — это объект, который проявляет себя как черная дыра.
С точки зрения астрофизики мы на самом деле не знаем, черные дыры ли это, и „чернодырность“ тех объектов, которые мы наблюдаем, просто самая консервативная гипотеза. Для астрофизика черная дыра — объект, обладающий определенными наблюдаемыми проявлениями. Это компактный объект, его размер должен быть порядка наблюдаемого размера горизонта, никаких признаков поверхности не должно проявляться».
Что же касается объекта в центре Млечного Пути, то все указывает на существование там сверхмассивной черной дыры. Вряд ли здесь сбились в кучу нейтронные звезды или ЧДЗМ (которые тяжелее Солнца всего лишь в несколько раз). Даже если бы так и было, впоследствии они все равно слились бы в одну СМЧД.
Естественно, ученые проверили и эту гипотезу — и сразу же отмели ее. Траектории звезд, орбиты которых опоясывают указанную область, оказались гладкими, какими они бывают, если один объект вращается вокруг другого, сферически симметричного, находящегося в центре в единственном экземпляре, но не вокруг нескольких черных дыр.
Если бы здесь было много массивных тел, то траектории звезд представляла бы собой замысловатые линии, с зигзагами, возникшими вследствие притяжения каждой из дыр.
Пока во все, что было сказано выше, трудно поверить. Огромный массивный объект находится в центре нашей Галактики — и мы до сих пор толком ничего о нем не знаем?! Но нам известна его масса: она равна, по разным оценкам научных групп, 4–4,3 млн масс Солнца. Законы Кеплера и Ньютона позволили вычислить ее после того, как были измерены скорости звезд, которые движутся вокруг этого объекта по своим орбитам, примерно как планеты вокруг Солнца, только в разных плоскостях.
По последним оценкам астрономов (наблюдения 2013 года), угловой диаметр объекта получился равным 30 μas (микросекундам дуги). 1 минута дуги (1 угловая минута) — это максимальное разрешение нашего глаза, в ней 60 секунд, а 1 микросекунда составляет 1/1000000 секунды — крайне малая величина. Или около 40 млн км (немногим меньше, чем от Меркурия до Солнца) с расстояния в 26 тыс. световых лет.
Эти данные неточны, по разным подсчетам, размер черной дыры может быть равен ее гравитационному радиусу (12 млн км) — или достигать 45 а. е. (1 астрономическая единица — расстояние от Земли до Солнца, около 150 млн км).
Увидеть сам объект нельзя ни в одном из диапазонов, ни в радио, ни в оптике, причем в последнем случае проблематично рассмотреть даже окрестности СМЧД: в центре Млечного Пути много пыли, она блокирует видимый свет. Инфракрасное излучение (ИК) может проникать сквозь «туман» этих частиц, так как длина волны ИК примерно равна их размерам, но лучше всего для таких задач подходят радиоволны: космическая пыль практически не поглощает их.
Верхний предел размера был установлен как раз на основании наблюдений центра Млечного Пути через большие радиотелескопы, объединенные в так называемый радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ). Единственный объект, который может быть таким массивным и иметь радиус порядка 1 а. е., — это черная дыра.
Объект Sgr A* — СМЧД. Радиоизлучение (показано голубым) исходит не из центра, а из области, находящейся вблизи горизонта событий, от газа, который вот-вот упадет на черную дыру
Как и многое на небе, указанный источник радиоизлучения в центре Галактики, самый мощный в созвездии Стрельца (оно южное, потому его почти не видно из России), имеет свое название — Стрелец A (Sagittarius A, сокр. Sgr A). А компактный объект обозначили термином Стрелец А* (читается как «Стрелец А со звездочкой»): когда его впервые заметили (13 и 15 февраля 1974 года), исходившее от него излучение в радиодиапазоне было настолько сильным, что авторы дали ему имя по аналогии с возбужденным состоянием атомов, которое также обозначается звездочкой. А еще этот символ указывает на то, что объект даже для самых крупных телескопов виден как компактный источник радиоизлучения.
Это излучение миллиметровой частоты может проникать сквозь толщу пыли на пути к Земле. Для таких радиоволн нет препятствий при движении через всю Галактику. Но наша тонкая атмосфера, содержащая водяной пар, блокирует их и заставляет ученых располагать радиотелескопы в самых засушливых местах планеты с низкой влажностью, где практически отсутствуют осадки.
Для уверенного наблюдения настолько далекого объекта, расположенного в 26 тыс. световых лет от нас, потребуется телескоп с диаметром тарелки 10 000 км.
Построить его весьма затруднительно: у самой Земли диаметр всего 12 700 км. Поэтому ученые придумали способ компоновать полученные данные с разных приборов в единую картину, такую же, которую получил бы радиотелескоп, если бы его тарелка была размером с нашу планету. Проект получил название The Event Horizon Telescope — межконтинентальный виртуальный Телескоп горизонта событий.
Объединив несколько миллиметровых радиотелескопов в «сеть», ученые получили огромный радиоинтерферометр. Такой способ получения высокого разрешения на малых радиотелескопах называется методом апертурного синтеза: если взять две антенны, расположенные на расстоянии D (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до второй. Если сигналы проинтерферировать (раздельно собрать информацию с каждого телескопа, а потом ее объединить, имитируя интерференцию на компьютере, то есть увеличение и уменьшение амплитуды при наложении волн друг на друга), то мы получим результирующий сигнал. А затем с помощью специальной математической процедуры — редукции — получим информацию об источнике с эффективным разрешением λ / D, где λ — длина волны. То есть мы ограничены уже не габаритами тарелок приборов, а расстоянием между ними. А значит, можно создать виртуальный телескоп размером с Землю!
Большинство радиоинтерферометров использует вращение Земли для увеличения числа ориентаций базы (расстояния между телескопами A и B), включенных в наблюдение. На рисунке ниже наша планета изображена в виде серой сферы, а база (отрезок AB) со временем меняет угол. Эта картинка будет наблюдаться, если смотреть на вращающуюся Землю из центра Галактики.
Такая схема используется и в Телескопе горизонта событий, только приборов уже не два, а сразу несколько.
Все полученные линии измерений накладываются друг на друга и «сливаются» в единую картину.
Чтобы понять, насколько выросла разрешающая способность после объединения этих телескопов в сеть, представьте, что у нас появилась возможность разглядеть апельсин на Луне или стрелку на наручных часах на расстоянии 12 000 км (разумеется, если бы они излучали в радио).
Чтобы объединить два телескопа в интерферометр, не обязательно тянуть кабель или налаживать радиосвязь между ними. Важно записать приходящие данные на жесткие диски, а уже потом провести дальнейшую их обработку. Так и поступили в этом случае.
К сожалению, из-за нелетной погоды возникли небольшие затруднения с доставкой винчестеров из Антарктиды. Пока не будут собраны данные со всех телескопов (а их огромное количество — тысячи жестких дисков, и передать всю эту информацию по интернету просто невозможно), единую и полную картину сформировать не получится.
Если говорить о российских разработках в этой области, то в первую очередь необходимо упомянуть радиоинтерферометр «РадиоАстрон»: данные записываются на космическом телескопе и потом по радио передаются на Землю, где их объединяют на специальном корреляторе — суперкомпьютере для апертурного синтеза. К сожалению, «РадиоАстрон» не смог поучаствовать в наблюдениях, так как длины волн, на которых он работает, в 10 раз больше, чем необходимо, чтобы «пробиться» сквозь пыль в центре Галактики.
В настоящий момент наблюдательные данные собраны в одном месте и уже обрабатываются, так что довольно скоро мы увидим первое синтезированное изображение тени (силуэта) черной дыры, того, что находится непосредственно у горизонта событий, — но не ее саму, ибо она излучает недостаточно, чтобы мы могли ее заметить (если не учитывать гипотезу об излучении Хокинга).
Максимум, что мы сможем разглядеть, — это вещество вокруг темной структуры, напоминающей диск, материю, которая впоследствии уйдет за горизонт событий, а точнее — излучение от нее.
Тень черной дыры получится не полностью темной, потому что некоторое количество вещества находится между ней и наблюдателем. Одна часть будет ярче другой из-за эффекта Доплера: материя вращается вокруг ЧД, левая половина летит к нам, правая — от нас.
Но что, если мы увидим что-то еще? Руководитель команды Шеперд Дуэлеман из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики рассказал BBC в одном из своих интервью: «Спорить с Эйнштейном — пустая затея, но мы можем увидеть нечто, не соответствующее нашим ожиданиям, и тогда нам придется пересмотреть теорию гравитации».
«Даже если первые изображения будут поганенькими и размытыми, мы впервые сможем проверить ряд основных предсказаний теории относительности Эйнштейна на примере экстремальных условий в черных дырах», — передает слова радиоастронома Хайно Фальке из Университета Неймегена National Geographic.