Видеть невидимое: изображение черной дыры
К настоящему времени вы, вероятно, видели это Изображение, которое стало знаковым в день его публичного выпуска. Спустя столетие после того, как математика показала, что это было возможно, но широко отклонено как объект, который действительно не существовал во вселенной. Спустя десятилетия после того, как ему было дано броское имя, и о первых косвенных свидетельствах его реальности было сообщено, спустя несколько лет после того, как он был изображен в рендеринге и популярных фильмах художников, объект, из которого не мог уйти свет, был «виден». Точнее, видение было тенью черной дыры, окруженной пончиком света (см. Фотографию ниже). Это было результатом замечательного технического достижения объединения сигналов от нескольких обсерваторий для воздействия на радиотелескоп размером с землю, способный разрешать объект размером с нашу солнечную систему с расстояния 55 миллионов световых лет (около 300 000 000 000 000 000 000 миль). Это примерно эквивалентно просмотру апельсина на поверхности Луны.
Что такое черная дыра?
Мы знаем, что сила тяжести Земли вернет шар, брошенный вверх, но не ракету, запущенную со скоростью более 25 000 миль в час, со скоростью «сбегания» с поверхности Земли. Еще до появления Эйнштейна некоторые дальновидные ученые предполагали, что источник гравитации может быть настолько интенсивным, что даже свет, движущийся со скоростью 670 миллионов миль в час, не сможет избежать его притяжения. В 1915 году Эйнштейн опубликовал теорию общей теории относительности, удивительно успешную теорию гравитации, которая вытеснила концепцию Ньютона «таинственное действие на расстоянии» с новым подходом к геометрии пространства-времени. Вместо того, чтобы рассматривать объекты, притягиваемые к другой массе силой гравитации, общая теория относительности описывает способ, которым масса (и энергия) деформируют пространство, а объекты, включая свет, просто следуют контурам искривленного пространства. Общая аналогия - представить батут или матрас с шаром для боулинга, вызывающим углубление на окружающей поверхности, в то время как движущийся рядом мрамор следует по пути наименьшего сопротивления и спирали внутрь. Перефразируя физика Джеймса Уилера: «искривленное пространство говорит материи, как двигаться, в то время как материя говорит пространству, как изгибаться». Концепция проста и изящна, но математика для решения конкретных задач устрашает. Через год после публикации Эйнштейн был удивлен, получив письмо от молодого математика Карла Шварцшильда, который тогда находился на российском фронте Первой мировой войны, в котором было дано точное решение общих уравнений относительности для сферической массы достаточного веса, которая бы заставила пространство-время изгибаться так сильно, что вся материя и свет будут захвачены внутри. Граница, из которой ничто не могло уйти, стала называться «горизонтом событий». Эйнштейн поздравил Шварцшильда с его математическим достижением, но утверждал, что таких объектов на самом деле не существует. Вселенная не должна содержать все явления, которые соответствуют уравнениям теории. Немногие физики взялись за этот вопрос, но в 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартленд Снайдер рассчитали, как массивная звезда, лишенная ядерного топлива, будет бесконечно взрываться до точки «сингулярности». Ничто, кроме ее гравитационного поля, не будет сохраняться для внешних наблюдателей. 25 лет спустя термин «черная дыра» был применен к такому объекту.
Уникальные свойства черной дыры продолжают оставаться предметом изучения великих умов теоретической физики. Общая теория относительности описывает материю и пространство в большом масштабе, в то время как квантовая механика описывает свойства очень малых с выдающейся предсказательной силой. Но эти две теории имеют фундаментальные различия в своих математических основах, включая саму природу пространства, что делает их несовместимыми везде, где они оба необходимы для описания реальности. Это существо, где интенсивная масса ограничена крошечными пространствами. Два места, где происходит это столкновение теорий, находятся в начале вселенной большого взрыва и в черных дырах. Общая теория относительности предсказывает, что ничто не остановит коллапс до сингулярности звезды, более чем в десять раз превышающей массу Солнца, когда оно исчерпало внешнее давление своего ядерного синтеза. И ничто не остановит падение неосторожного космического путешественника, когда он упадет в черную дыру. Но может ли вселенная действительно иметь массовый контракт с бесконечно малой точкой? Многие ученые надеются, что возможная теория квантовой гравитации покажет, что такая особенность предотвращена. Поиски этой теории остаются одной из величайших задач современной физики.
Первое «обнаружение» черной дыры произошло не от ее непосредственного наблюдения, а от анализа ее взаимодействия с соседними звездами. Более десяти лет, начиная с 1960-х годов, усовершенствования в орбитальных рентгеновских обсерваториях предоставили подробную информацию о мощном источнике рентгеновских лучей, названном Cygnus X-1. Было установлено, что оптически видимая звезда вращается вокруг оптически темного спутника, который был источником рентгеновского излучения. Масса и движение видимой звезды говорят о том, что масса невидимого спутника примерно в 16 раз превышает массу Солнца, что вполне соответствует теоретическому диапазону неизбежного коллапса в черную дыру. Рентгеновское излучение должно было возникнуть в результате сильного движения и столкновений частиц, когда черная дыра проглотила вещество, оттянутое от звезды-компаньона. В те годы, когда наблюдения улучшились, физики Кип Торн и Стивен Хокинг сделали известную ставку на то, действительно ли Cygnus X-1 была черной дырой. Возможно, уступку Хокинга во время посещения офиса Кипа Торна в Калифорнийском технологическом институте в 1990 году можно было бы считать появлением всеобщего признания того, что черные дыры действительно существуют в нашей вселенной. С тех пор многие другие черные дыры в диапазоне размеров звездных масс были обнаружены путем измерения их влияния на вращающиеся звезды. И в последние три года мы наблюдали эффективное обнаружение обсерваториями LIGO гравитационных волн, создаваемых парами черных дыр с массой 20-30 солнечных в последние моменты, когда они объединялись в спирали, превращаясь в одну черную дыру.
Но теперь мы знаем, что во Вселенной много черных дыр, намного больше звезд.
В 1963 году Мартен Шмидт ломал голову над недавно обнаруженными звездообразными объектами, которые имели непостижимые спектры. В конце концов он понял, что спектральные линии, которые озадачивали астрономов, были на самом деле знакомыми линиями, которые были чрезвычайно красными. Следовательно, они должны происходить из чрезвычайно ярких источников на большом расстоянии от нашей галактики. Рассматриваемые как пылинка за пределами нашего Млечного Пути, такие квазары могут затмить все миллиарды звезд в их родной галактике. Поначалу казалось непостижимым, что такая не мирная энергия может быть произведена в небольшом пространстве. Но астрономы поняли, что гравитация является высокоэффективным источником доступной энергии, гораздо больше, чем химические или даже ядерные реакции. Материя, падающая в черную дыру с миллионами или миллиардами массы нашего Солнца, нагревается трением, когда она спирально входит в «аккреционный диск» вещества. Очевидно, что к тому времени, когда такая материя падает ниже горизонта событий, она больше не может испускать свет любой длины волны, но по пути большая часть кинетической энергии движения преобразуется в излучение радио, видимого, ультрафиолетового и x- излучения. лучи, которые видны в квазарах и других «активных ядрах галактик». Когда-то считавшиеся экзотическим классом объектов, астрономы обнаружили, что практически все большие галактики содержат сверхмассивные чёрные дыры в своем ядре. Некоторые весят миллиарды солнечных масс, в то время как наша собственная Галактика Млечный Путь имеет свою собственную черную дыру, которая весит в 4 миллиона раз больше массы Солнца.
Это подводит нас к дерзкому предложению о том, что черные дыры действительно можно увидеть. Художники и специалисты по компьютерной графике создавали изображения, а лауреат Нобелевской премии по физике гравитации Кип Торн давал советы по визуализации черных дыр в фильме «Межзвездный». Одиночные телескопы далеки от способности увидеть их. Но астрономы связывают два или более радиотелескопов и объединяют свои сигналы с помощью интерферометрии, чтобы эффективно работать вместе как одна большая тарелка. Постоянно расширяющийся спектр связанных удаленных телескопов значительно увеличил разрешающую способность наблюдений. Шепард Доулман из Гарварда дерзко предположил, что объединение радиотелескопов в отдельный мир может достичь разрешающей способности для изображения черной дыры. Чтобы справиться с этой задачей, команда телескопов Event Horizon насчитывает более 200 ученых и 8 радио обсерваторий, расположенных на четырех континентах. Чтобы объединить наблюдения в виртуальные с помощью интерферометрии, требуется объединение радиосигналов с изысканной синхронизацией, чтобы они были практически одновременными. Самые точные в мире атомные часы использовались для отметки времени всех записанных данных с радиотелескопов. Соединения с Интернетом были недостаточны для передачи огромного количества данных, поэтому они были записаны и физически отправлены в компьютерные центры в США и Германии для анализа. Приборы, разработанные учеными из Berkeley SETI, внесли свой вклад в замечательные электронные и аналитические возможности операции.
Первой целью была сверхмассивная черная дыра в галактике M87. Астрономы уже видели, что массивные струи заряженных частиц простираются на тысячи световых лет от центрального источника, но двигатель, приводящий в действие выбросы, оставался невидимым (см. Фото выше эмиссионной струи, снятой с телескопа Хаббла). В связи с тем, что погода сотрудничала во многих местах, в апреле 2017 года проводились одновременные наблюдения в течение большей части десятидневного периода. Для интерпретации данных и восстановления изображения по сигналам, полученным со всех телескопов, потребовалось почти два года. Их сравнивали с сотнями компьютерных симуляций, которые применяли математику общей теории относительности к моделируемым параметрам, включая массу черной дыры, вращение, ориентацию оси вращения черной дыры и окружающего аккреционного диска и многое другое. 10 апреля 2019 года команда Event Horizon Telescope осветила мир науки, демонстрируя изображение и просматривая проект на одновременных пресс-конференциях. На историческом изображении изображена темная «дыра в космосе», окруженная кольцом света, которое становится немного размытым из-за предела разрешения. (Термин «светлый» используется в общем смысле; обнаруженное здесь излучение имеет длину волны в миллиметрах, которая не видна глазу, и отображается в произвольных цветах.) Этот темный край обозначает внутренний предел стабильной орбиты фотоны вокруг черной дыры. Это примерно в два раза больше фактического горизонта событий. Эффекты относительности сильно искажают путь света, излучаемого окружающим аккреционным диском и фоновыми источниками. Можно подумать, что черная дыра действует как такая мощная линза, что она не только направляет лучи света к нам, но и заставляет некоторых вращаться по орбитам, как спутник, вращающийся вокруг Земли. Фотоны, отклоняющиеся внутрь от «последней стабильной фотонной орбиты», навсегда теряются в горизонте событий, в то время как другие могут двигаться к нам. Наилучшее совпадение изображения с компьютерным моделированием, а также с известным направлением радиоструй свидетельствует о том, что мы наблюдаем черную дыру почти над ее осью вращения и она вращается по часовой стрелке с нашей точки зрения. Его сферическая форма согласуется с предсказаниями общей теории относительности. Увеличенная яркость нижнего квадранта обусловлена релятивистским усилением световых волн, движущихся к нам. Расчетная масса черной дыры составляет 6,5 миллиардов солнц, упакованных в горизонт событий примерно размером с нашу солнечную систему.
Команда Event Horizon Telescope планирует выпустить дальнейший анализ, который включает измерения поляризации, чтобы отобразить интенсивные магнитные поля, которые обвивают черную дыру и концентрируются, и усиливают энергетические пучки заряженных частиц, которые извергаются в полярных направлениях от M87 и многих других квазаров и активных галактические центры. Будущие наблюдения на более коротких волнах и добавление большего количества телескопов планируется улучшить разрешение изображения. Следующий большой скачок в разрешении изображения потребует размещения радиотелескопов на орбите или на Луне.
В ближайшей перспективе мы ожидаем изображение второй цели телескопа «Горизонт событий», черной дыры в центре нашей собственной Галактики Млечный Путь, которая называется Стрелец A *. Его масса, оцененная по движению звезд и газа, вращающегося очень близко к центру галактики, составляет всего 4 миллиона солнечных масс. По сравнению с черной дырой M87, это всего лишь пшик, но расстояние до него составляет всего 25 000 световых лет. Это настолько близко, что угловой размер должен быть примерно таким же, как черная дыра в M87. Хотя наблюдения уже сделаны, сокращение данных имеет свои проблемы. Вглядываясь в диск нашей галактики, мы сталкиваемся с сильно затеняющим материалом, и эта меньшая черная дыра может поглощать материю с нерегулярной скоростью, вызывая более быстрые изменения яркости и формы обнаруженного изображения. В то время как проблема в получении изображения, такое изменение могло бы помочь астрономам понять особенности роста черной дыры. Возможно, следующее изображение черной дыры, которое будет выпущено командой телескопа Event Horizon, будет скорее фильмом, чем неподвижным изображением. Ученые и заинтересованная публика ждут этих следующих изображений, поскольку они продолжают преобразовывать неуловимую математическую концепцию черной дыры в физическую сущность, которую можно увидеть и понять.
