В центре нашей Галактики лежит сверхмассивная черная дыра. Она имеет название Стрелец A *. Или Sgr A * для краткости. В течение миллиардов лет в нее падали окружающие газ и пыль. Каждые 10 000 лет или около того она проглатывает соседнюю звезду.
Sgr A * – вероятно, самая близкая черная дыра к нашей планете. Но мы не знаем, как она выглядит. Потому что мы не можем ее сфотографировать.
И это относится ко всем черным дырам.
Черная дыра достаточно распространенный объект в нашей Вселенной. Но имеет, по космическим меркам, очень маленькие размеры. И у нас пока нет инструментов, позволяющих получить изображения любой из них.
Те изображения, которые вы видите в Интернете или в телевизионных документальных фильмах, являются иллюстрациями или симуляциями. Они основаны на косвенных доказательствах, полученных при наблюдениях за пространством вокруг черной дыры. Ученые не сомневаются в том, что черные дыры существуют. Но без изображений они не могут доказать это наверняка.
Все это может измениться
В течение последних четырех лет команда из примерно 200 ученых и инженеров работала, чтобы создать образ Sgr A *. Он станет нашей первой картиной черной дыры. Инициатива, названная Телескопом Горизонта событий (EHT), завершила сбор данных в апреле 2017 года. В настоящее время исследователи анализируют ее.
Это может показаться невероятным, но генерация грубого изображения Sgr A * является эквивалентом чтения газетного заголовка на Луне человеком, находящимся на Земле.
Полученное изображение может помочь ученым в поисках ответов на многие острые вопросы современной астрофизики. Их можно сформулировать так: что происходит со светом и материей, когда они падают в черную дыру? Что представляют собой потоки энергии, которые выбрасывает черная дыра? Какую роль сыграли черные дыры в образовании галактик?
Хотя это маловероятно, но результаты EHT могут даже потребовать корректировки общей теории относительности Эйнштейна.
Факты о черных дырах
Черные дыры, как считается, возникают тогда, когда очень массивная звезда сжигает через свое ядерное топливо и сжимается в невероятно плотную точку или сингулярность.
Когда газ, звезды и другое вещество приближаются к черной дыре, они притягиваются к горизонту событий. Воображаемой оболочке вокруг сингулярности. Ничто из того, что пересекает порог горизонта событий, и не может выйти из гравитационного поля черной дыры. И по мере того как материя падает в нее, черная дыра становится более массивной, а горизонт событий расширяется.
Черные дыры существуют в космосе повсеместно. Супермассивные лежат в центре большинства галактик. Однако менее массивные черные дыры распространены гораздо больше. В нашей галактике, вероятно, существует около 100 миллионов черных дыр. Хотя мы идентифицировали пока только несколько десятков.
Что касается Sgr A *, то она удалена примерно на 26 000 световых лет от Земли. И имеет массу в четыре миллиона раз большую, чем у Солнца. По оценкам ученых она не слишком большая. Например сверхмассивная черная дыра, также изучаемая учеными EHT, Messier 87 (M87), находящаяся в центре кластера Девы, имеет массу почти в семь миллиардов раз большую, чем у Солнца.
EHT выбрал для работы Sgr A * и M87, потому что они являются самыми большими сверхмассивными черными дырами, наблюдаемыми с Земли. Это самые простые и доступные кандидаты для анализа.
Как сделать снимок черной дыры, если она черная?
Хороший вопрос. На самом деле черные дыры такие же черные, как окружающее их пространство. Любой свет, который попадает в них, никогда не выходит обратно.
Но вокруг черной дыры есть свет от светящегося вихря перегретого вещества, который падает в черную дыру. Когда этот свет проходит вблизи горизонта событий, он изгибается и искажается притяжением сильной гравитации черной дыры.
Эта гравитационная линза очерчивают темную область, называемую тенью черной дыры. Ожидается, что размер тени должен быть в два с половиной раза больше размера горизонта событий. А размер горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Для Sgr A * это около 30 миллионов километров. В случае с M87, другой черной дыры, которую изучает EHT, он в тысячу раз больше.
Поэтому изучая тень черной дыры, исследователи EHT могут понять ее размеры.
Таким образом, технически говоря, ученые EHT не будут создавать изображение черной дыры. Они будут использовать информацию об ее тени, чтобы получить необходимую информацию об этом объекте.
Визуализация черных дыр не является возможной (по крайней мере, сейчас). Поэтому ученые рассматривают использование теневых изображений для получения доказательств их существования.
Сеть телескопов
Sgr A * настолько мала, что у нас нет ни одного телескопа, который может разглядеть ее достаточно подробно. Мы пока не можем создать фотографию подобного объекта с высоким разрешением.
Ученые EHT преодолели эту проблему, объединив семь телескопов, расположенных по всему миру. Они использовали метод, называемый очень длинной базовой интерферометрией (VLBI). Результатом работы стал «виртуальный телескоп» с разрешающей способностью, близкой к диаметру Земли.
В течение недели в апреле 2017 года все семь телескопов EHT регистрировали сигналы от Sgr A *. Семь атомных часов регистрировали время поступления сигналов на каждом телескопе.
Природа сигналов, и то, когда они будут зарегистрированы каждым телескопом, позволит ученым построить изображение Sgr A *. Но это займет некоторое время. Телескопы EHT собрали много данных. Их хватит, чтобы заполнить 10 000 ноутбуков.
Лучи смерти
Ученым особенно интересно получить информацию о массивных струях энергии, которые исходят из черных дыр.
Эти струи образуются, когда вещество вне черной дыры нагревается до миллиардов градусов. Оно закручивается в так называемом аккреционном диске. Некоторая часть его проходят точку невозврата – горизонт событий и падает в черную дыру.
Но черные дыры – привередливые едоки. Некоторая часть вещества, выбрасывается из аккреционного диска в форме плотно сфокусированных струй. Эти струи движутся потом почти со скоростью света на расстоянии в десятки тысяч световых лет.
Возможно, что у Sgr * A нет струй. За последние несколько десятилетий она была не очень активной.
Но если струи действительно существуют, телескопы EHT будут получать об этом информацию. Затем команда EHT сможет использовать ее, чтобы попытаться ответить на некоторые нерешенные вопросы об этом явлении.
До недавнего времени доказательства, подтверждающие теорию общей теории относительности (ОТО), были получены из наблюдений за нашей Солнечной системой. Но условия в нашем маленьком пятачке Вселенной довольно мягкие. Условия, обнаруженные вблизи черной дыры, позволят подвергнуть ее более серьезному испытанию.