В прошлом посте я писал об обычных черных дырах. Несколько человек в комментариях упомянули сверхмассивные черные дыры и я решил, что о них тоже стоит рассказать поподробнее.
Итак сверхмассивные черные дыры. В принципе из названия понятно, что эти дыры отличаются своей большой массой. Но на сколько большой? Если обычная черная дыра имеет несколько десятков солнечных масс, то сверхмассивная имеет десятки тысяч солнечных масс. И это лишь самые малые представители сверхмассивных дыр. В среднем сверхмассивная черная дыра в миллионы раз тяжелее солнца. Самая маленькая - RGG 118 около 50000 солнечных масс, а самая большая TON 618 около 66 миллиардов солнечных масс. Та дыра, что находится в центре нашего Млечного пути - Стрелец А* вмещает около 4,6 миллионов солнечных масс. К слову, в солнце можно уместить чуть меньше миллиона Земель. Лишь после этого можно осознать ничтожность нашей цивилизации для вселенной. Мы для вселенной - все равно, что для нас отдельно взятый атом Земли.
Ну не будем о грустном, а продолжим изучение сверхмассивных черных дыр. Узнав массу сразу возникает логичный вопрос: Это же как она появилась такая. Если обычные дыры происходят из звезд, то из какой же звёзды появилась сверхмассивная? На самом деле тут даже учёные-астрономы не могут дать точного ответа. Большинство предположений говорят, что они получили свою чудовищную массу, поглощая объекты вокруг себя. Есть ещё версия о том, что они произошли из газо-пылевых облаков, но ни та, ни другая из версий достоверных доказательств не имеют.
А теперь поговорим пожалуй о самом интересном в сверхмассивных черных дырах. Если вы хоть чуть-чуть уделяли время школьной физике, то должны понимать, что настолько массивный объект должен притягивать практически все вокруг себя. И как ни странно, сверхмассивные черные дыры именно это и делают. Они находятся в центрах почти всех галактик. Но бывает и такое, что некоторые галактики выбрасывают свои дыры на окраину из-за появления более массивной дыры при столкновении галактик. Стоит отметить, что чаще всего более массивная дыра все же поглощает дыру поменьше, но если такого не происходит, то «сдвинутая» дыра будет блуждать по окраине галактики. На окраине нашей галактики предположительно 12 блуждающих сверхмассивных черных дыр. И если вы боитесь, что такая дыра может находиться рядом, то бояться нечего. Из-за своей гравитации, они оказывают большое влияние на окружение и мы бы её заметили.
Есть у сверхмассивных черных дыр ещё одна особенность – аккреционный диск. Возможно вы видели эту фотографию, в далеком и прекрасном 2019-м:
На ней изображение сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центре галактики Messier 87(M87). Дыра получила такое же название - M87. Вокруг нее мы можем увидеть светящееся кольцо, которое и называют аккреционным диском. Он состоит из газа и пыли притянутых дырой. Дыра также, очень сильно разгоняет частицы, из которых состоит газ и пыль. Скорость этих частиц оказывается настолько высокой, что они разогреваются до больших температур, доходящих почти до 10 миллионов °C. В следствии, они начинают излучать рентгеновское излучение, которое захватывают телескопы. Пожалуй на этом сегодня я и остановлюсь.
Про черные дыры слышали практически все, кто пользуется интернетом, но четко сказать, что это не могут. Максимум скажут: «ну это черный шар, находящийся в космосе и всасывающий в себя всё, что подойдёт достаточно близко» - на этом знания большинства заканчиваются. И поэтому я попытаюсь рассказать про них чуть больше.
Для начала почему - черная и почему – дыра. Ответом на оба вопроса можно назвать сильную гравитацию. Настолько сильную, что она поглощает все вокруг себя, в том числе и свет, а заодно все другие электромагнитные волны. От того и черная.
Но почему – дыра? Ведь она выглядит как шар. Тут также постаралась гравитация, но для объяснения понадобится чуть больше информации. В физике есть такое понятие как «ткань пространства-времени». На этой «ткани» грубо говоря располагаются все объекты во вселенной и прогибают её под собой, тем самым притягивая другие объекты:
Звучит как какая то глупость, но в физике эту ткань используют. Ну так вот, у черной дыра настолько сильная гравитация, что она пробивает дыру в этой ткани:
Отсюда и назвали - дырой.
Ладно, с названием разобрались. Теперь поговорим о том из чего она появляется, ведь такая хрень не может возникнуть на ровном месте. Черная дыра получается, если большое количество массы сконцентрировать в небольшом пространстве. Например, если бы землю сжали до плотности достаточной для возникновения черной дыры, то она была бы размером с обычное яблоко. Но к сожалению или к счастью во вселенной только один вид объектов способен превращаться в черную дыру. И этот вид объектов – звезды. До того как стать черной дырой, она существует как звезда. Стоит уточнить: не любая звезда способна превратиться в черную дыру, а только та у которой масса больше 8-ми солнечных, если меньше, то она превращается в нейтронную звезду. В конце своего жизненного цикла звезда «коллапсирует» и внутренне давления становится ниже, чем внешнее и звезда как бы падает сама в себя, обретая огромную плотность, необходимую для превращения в черную дыру. Тоже звучит бредово, но в принципе можно принять как реальность.
Чего не скажешь об свойствах черной дыры, которые звучат как научная фантастика. Наверное множество людей смотрели фильм «Интерстеллар». В этом фильме есть эпизод, где герои спускаются на планету, находящуюся близко к черной дыре. На этой планете время текло во много раз медленнее, чем в обычном пространстве, своего рода машина времени. И это объясняется всё той же гравитацией. По общей теории относительности Эйнштейна: Чем ниже гравитационный потенциал (чем ближе часы к источнику гравитации), тем медленнее течёт время, ускоряющееся с увеличением гравитационного потенциала (часы удаляются от источника гравитации). То есть, как понял это я, чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время в пространстве её действия, относительно обычного пространства. Объяснять и доказывать почему так – бессмысленно. Потому что это один из постулатов вселенной, доказанный математически и экспериментально. Ну да ладно, чё то я отошёл от темы. В ещё одном из эпизодов «Интерстеллара», Купер ныряет в черную дыру. В фильме он благодаря неведомой сверхрасе сумел выжить и увидел внутри странное строение, созданное этой расой.
А теперь подумаем, что было бы если нырнуть в черную дыру в реальности. Во первых, как только человек пересечёт горизонт событий черной дыры (это грань перейдя которую, из черной дыры не выбраться и за которой мы ничего не можем увидеть) он умрет от чудовищной гравитации, которая растянет его как макаронину. Но если бы он выжил, то увидел сингулярность. Сингулярность доказать нельзя т.к. мы не можем заглянуть в черную дыру, но мы можем предположить её исходя из математических расчетов. Итак, сингулярность – это то пространство в которой известные нам законы физики не работают. К примеру там нарушается связь пространства и времени. Допустим возьмём пластилин и сначала слепим из него куб, потом скатаем в шар, а после расплющим в блинчик. Мы четко можем сказать, что сначала это был просто кусок пластилина, после превращенный в блин, но перед тем как стать блином, он был ещё кубом и шариком. То есть в определенное время он был определенной формы. Теперь допустим, что сингулярность стала таким себе пластилином. Так как в ней нарушается связь пространства и времени, то сказать что было перед чем не получится, потому что времени считай уже и нет вовсе. Бред – определенно, но научно обоснованный.
На этом пока - всё. Я написал далеко не о всём интересном касательно черной дыры, но если захотите, то могу написать ещё.
Все детали были в исходнике , цвета искусственные, как и красный цвет на исходном изображении :
"В ходе наблюдений, выполненных на радиотелескопе VLA, ученым изучили структуры джета M87. Им удалось выявить структуру его магнитного поля. В свою очередь, это позволило составить трехмерную карту джета. Оказалось, что в ходе движения вдоль линий магнитного поля, выбрасываемый черной дырой материал формирует весьма необычную двойную спираль."
Мы постарались сделать каждый город, с которого начинается еженедельный заед в нашей новой игре, по-настоящему уникальным. Оценить можно на странице совместной игры Torero и Пикабу.
В 2019 году ученые обнародовали своё первое в истории человечества изображение черной дыры, на котором изображено темное ядро, окруженное огненной аурой падающего на него материала, и также они полагали, что из первичных данных можно извлечь еще более детальную модель. Компьютерное моделирование предсказывало, что за бликами рассеянного оранжевого свечения должно скрываться тонкое яркое кольцо света, созданное фотонами, отброшенными вокруг задней части черной дыры ее сильной гравитацией. Группа исследователей во главе с астрофизиком Эйвери Бродериком использовала сложные алгоритмы визуализации, чтобы по существу «переделать» исходные изображения сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 полученные в 2017 м.
«Мы выключили прожектор, чтобы увидеть светлячков», — сказал Бродерик, младший преподаватель Института периметра и Университета Ватерлоо. «Мы смогли сделать кое-что серьезное — определить фундаментальную сигнатуру гравитации вокруг черной дыры». Для этого команда использовала новый алгоритм визуализации в рамках аналитической структуры THEMIS телескопа Event Horizon Telescope (EHT), чтобы изолировать и извлечь отчетливое кольцо из первоначальных наблюдений черной дыры M87, а также обнаружить контрольный след мощного реактивного излучения (джета) наружу из черной дыры.
Коллаборация EHT впервые представила изображения сверхмассивной черной дыры M87 в 2019 году, а затем в 2022 году — сравнительно небольшой, но шумной черной дыры в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, называемой Стрельцом A* (или Sgr A*). Представленное учеными изображение M87 в 2019 году стало важной вехой, но исследователи чувствовали, что могут сделать изображение более четким и получить новые идеи, работая умнее, а не усерднее. Они применили новые программные методы для восстановления исходных данных 2017 года в поисках явлений, которые, как предсказывали теории и модели, скрывались под поверхностью. На новом полученном изображении изображено фотонное кольцо, состоящее из ряда все более четких подколец, которые команда затем наложила друг на друга, чтобы получить полное изображение.
«Подход, который мы использовали, заключался в использовании нашего теоретического понимания того, как выглядят эти черные дыры , для создания индивидуальной модели для данных EHT», — сказал Доминик Пеше, член команды из Центра астрофизики Гарварда. «Эта модель разбивает реконструированное изображение на две наиболее важные для нас части, поэтому мы можем изучать обе части по отдельности, а не смешивать их вместе».
Результат стал возможным, потому что EHT является «вычислительным инструментом по своей сути», сказал Бродерик, который возглавляет институт Джона Арчибальда Уиллера. «Это также зависит от алгоритмов, как и от “железа”. Передовые алгоритмические разработки позволили нам исследовать ключевые особенности изображения, визуализируя остальную часть в исходном разрешении EHT».
Исследователи обратились к алгоритмам машинного обучения для повышения разрешения и качества изображений EHT. Сверхразрешение изображений - это метод, целью которого является получение изображения высокого разрешения на основе входных данных с низким разрешением. Обучая глубокие нейронные сети на большом наборе данных изображений с высоким и низким разрешением, эти алгоритмы могут научиться заполнять недостающие детали и создавать более четкие и детализированные изображения.
Процесс применения методов генерации изображения с высоким разрешением к изображениям EHT включает в себя несколько этапов. Сначала изображение EHT с низким разрешением передается в обученную нейронную сеть, которая затем генерирует версию изображения с высоким разрешением. Затем это изображение с высоким разрешением подвергается постобработке для дальнейшего уточнения деталей и повышения общего качества. В результате получается значительно улучшенное изображение, которое выявляет более мелкие особенности и структуры, которые ранее были невидимы или нечетки.
Телескоп горизонта событий (англ.Event Horizon Telescope, EHT) — проект по созданию большого массива радиотелескопов - интерферометров с очень длинной базовой линией (РСДБ, англ.very-long-baseline interferometry, VLBI) по всей Земле. Метод РСДБ позволяет имитировать телескоп, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными телескопами. Угловое разрешение РСДБ в десятки тысяч раз превышает разрешающую силу лучших оптических инструментов. Цель конкретно EHT состоит в том, чтобы наблюдать непосредственное окружение сверхмассивной чёрной дырыСтрельца A* в центре Млечного Пути, а также ещё большую чёрную дыру в сверхгигантской эллиптической галактике Мессье 87 с угловым разрешением, сопоставимым с горизонтом событий чёрной дыры. Разрешение, или угловое разрешение, — это минимальный угол, при котором предмет все еще различим.
EHT (Event Horizon Telescope) — радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, объединяющий несколько телескопов в разных точках Земли и ведущий наблюдения на длине волны 1,3 миллиметра. Благодаря рекордно высокому угловому разрешению ученые сначала впервые увидели тень сверхмассивной черной дыры в центре активной эллиптической галактики M87, а затем измерили магнитное поле вблизи нее и заметили колебания яркости тени.
Если простым языком: это несколько маленьких радиотелескопов (принимающих радиосигнал, а не наблюдающих в видимом спектре), находящихся в противоположных точках диаметра планеты Земля и наблюдающих один и тот же объект (на самом деле размещенных в разных точках Земли и шаблон их расположения загружен в расчёты интерпретирующие полученные данные). Данные наблюдения записываются с точными метками времени наблюдения, а затем по этим меткам сравниваются и интерпретируются нейросетью.
Интерферометрия — это семейство методов, в которых складываютсяэлектромагнитные волны, вызывая явление интерференции, которое используется для извлечения информации. Когда две волны с одинаковой частотой комбинируются, результирующий характер интенсивности определяется разностью фаз между двумя исходными волнами. Радиоинтерферометрия даёт возможность проводить измерения положений радиоисточников с точностью, позволяющей достигать отождествления с объектами, обнаруженными в оптическом диапазоне, а также измерять и сравнивать такие параметры, как яркость, поляризация и частотныйспектр деталей объекта исследования.
Наблюдения EHT велись на длине волны 1,3 мм. Это практически минимальная длина волны, на которой можно на Земле наблюдать космические объекты в радиодиапазоне. Дело в том, что атмосфера Земли прозрачна не для всех длин волн электромагнитного излучения. Радиоастрономия работает в окне прозрачности атмосферы от 1 мм до примерно 30 м. Меньшие длины волн практически полностью поглощаются молекулами газов атмосферы, в первую очередь водяного пара, а большие — отражаются обратно в космос ионосферой. Малая длина волны нужна для получения высокого разрешения наблюдения.
Каждый телескоп EHT в ходе сеанса измерения, длившегося 4 дня, получил громадное количество данных: 350 терабайт в день. Их записывали на высокопроизводительные жёсткие диски, которые отсылали для обработки на специализированных суперкомпьютерах — корреляторах, установленных в Институте радиоастрономии Общества Макса Планка (Германия) и обсерватории Хэйстек (MIT, США). Первичная обработка данных заняла 2 года.
Чёрная дыра́ — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница области, которую не может покинуть свет, называется горизонтом событий, а её радиус — гравитационным радиусом. Гравитационный радиус считают размером чёрной дыры. Изобретатель термина “Чёрная Дыра” достоверно неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (англ.Our Universe: the Known and Unknown) 29 декабря1967 года.
ОТО. Вопрос о реальном существовании чёрных дыр до сих пор не закрыт и тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой следует их существование. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр (но их существование возможно и в рамках других моделей). Поэтому наблюдаемые данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, эта теория пока не является интенсивно экспериментально протестированной для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от горизонта чёрных дыр звёздных масс (однако хорошо подтверждена в условиях, соответствующих сверхмассивным чёрным дырам, и с точностью до 94 % согласуется с первым гравитационно-волновым сигналом). Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр, строго говоря, следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности.
Простым языком: мы наблюдаем астрономические объекты, природу которых мы не знаем, но для удобства пока интерпретируем их как искривление пространства-времени - математический термин ОТО. Далее чтобы не отвлекаться на теорию - мы называем их условно “чёрные дыры”. Вопрос причины нахождения так называемых “Чёрных Дыр” в центрах галактик тоже пока не рассматривается. Сущность этого вопроса таково: как ЧД оказалась в центре галактики - если до образования галактики - то галактика не смогла бы образоваться, ведь ничто не может покинуть Горизонт Событий. Если после - то каким образом масса, искривляющая пространство-время, была притянута в пустое пространство Центра Галактики.
Обнаруживаем мы ЧД по мощному излучению из их окрестностей. Благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства. Падающее на чёрную дыру вещество разгоняется до околосветовых скоростей и закручивается вокруг неё, образуя аккреционный диск. Аккрецио́нный диск (от лат.accrētiō «приращение, увеличение») — структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело (аккреция). Сжатие вещества, а также выделение тепла в результате трения дифференциально вращающихся слоёв, приводит к разогреву аккреционного диска. Аккреционные диски протозвёзд, молодых звёзд излучают в инфракрасном диапазоне; тепловое излучение дисков, образовавшихся вокруг нейтронных звёзд и чёрных дыр, приходится на рентгеновский диапазон. Движение же искривлённого магнитного поля порождает так называемое синхротронное излучение. Часто у таких чёрных дыр возникают выбрасываемые струи плазмы — джеты, тоже движущиеся с огромной скоростью. Диск и джеты — сильнейшие источники излучения во всех диапазонах электромагнитных волн. Включая радиодиапазон, в котором их и наблюдает EHT. Строго говоря, речь здесь о, так называемых, “сверхмассивных чёрных дырах”. Это не единственный вид чёрных дыр, предсказанных ОТО. Все другие типы черных дыр куда более спекулятивны и основаны исключительно на теоретических изысканиях — экспериментальных подтверждений их существования пока не имеется. Во-первых, это черные мини-дыры с массой миллионы тонн и сжатой до радиуса протона. Идею об их зарождении на начальной стадии формирования Вселенной непосредственно после Большого взрыва высказал английский космолог Стивен Хокинг (см. Скрытый принцип необратимости времени). Хокинг предположил, что взрывами мини-дыр можно объяснить действительно загадочный феномен точеных вспышек гамма-излучения во Вселенной. Во-вторых, некоторые теории элементарных частиц предсказывают существование во Вселенной — на микро-уровне — настоящего решета из черных дыр. Диаметр таких микро-дыр предположительно составляет около 10–33 см — они в миллиарды раз мельче протона. На данный момент у нас нет каких-либо надежд на экспериментальную проверку даже самого факта существования таких черных дыр-частиц, не говоря уже о том, чтобы хоть как-то исследовать их свойства.
Саму чёрную дыру увидеть нельзя. Но если её окружает светящееся вещество, то должна наблюдаться картина в виде светящегося кольца с тёмной областью в центре, которую называют тенью чёрной дыры. Название неудачное, поскольку тёмная область — не тень. Скорее, надо говорить о силуэте чёрной дыры. Размер этого силуэта примерно в 2,6 раза больше размера горизонта событий.
Разросшиеся очень большие чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A*, являющаяся ближайшей к Солнцу сверхмассивной чёрной дырой (26 тыс. св. лет). Астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (о которой и идёт речь и которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд солнечных масс. Чёрная дыра — область, ограниченная так называемым горизонтом событий, которую не может покинуть ни материя, ни информация. Предполагается, что такие области могут образовываться, в частности, как результат коллапса массивных звёзд. Поскольку материя может попадать в чёрную дыру (например, из межзвёздной среды), но не может её покидать, масса чёрной дыры со временем может только возрастать. Стивен Хокинг, тем не менее, показал, что чёрные дыры могут терять массу за счёт излучения, названного излучением Хокинга. Излучение Хокинга представляет собой квантовый эффект, который не нарушает классическую ОТО.
Поляризация (фр.polarisation; от лат.polus ← др.-греч. πόλος, букв. «ось») — процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов в пространстве. Термин “поляризация” применительно к наблюдению Чёрной Дыры означает обнаружение структуры излучения вокруг горизонта событий. EHT опубликовала результаты, которые впервые описывают, как свет от края сверхмассивной черной дыры M87 * закручивается по спирали, избегая интенсивного притяжения черной дыры, - признак, известный как круговая поляризация. То, как электрическое поле света вращаться по часовой стрелке или против нее при движении, несет информацию о магнитном поле и типах волн высокой энергии вокруг черной дыры. Данные EHT говорят о том, что магнитное поле вблизи черной дыры M87 * достаточно сильное, чтобы останавливать черную дыру от поглощения близлежащей материи.
В 2019 году EHT опубликовал первое изображение кольца горячей плазмы вблизи горизонта событий M87 *. В 2021 году ученые EHT опубликовали изображение, показывающее направления колеблющихся электрических полей по всему изображению. Этот результат, известный как линейная поляризация, стал первым признаком того, что магнитные поля вблизи черной дыры были упорядоченными и сильными.
Отчётливо видно, что полученное ЕНТ изображение несимметрично — снизу оно значительно ярче. Это результат так называемого доплеровского усиления, из-за которого излучение вещества, движущегося на нас, будет ярче, чем удаляющегося от нас.
“Event Horizon Telescope (EHT) наблюдал за окологоризонтной областью вокруг сверхмассивной черной дыры в ядре галактики M87. Эти наблюдения с длиной волны 1,3 мм выявили компактную асимметричную кольцевидную морфологию источника. Эта структура возникает в результате синхротронного излучения, создаваемого релятивистской плазмой, расположенной в непосредственной близости от черной дыры. Здесь мы представляем соответствующие линейно-поляриметрические EHT-изображения центра M87. Мы обнаруживаем, что только часть кольца значительно поляризована. Разрешенная дробная линейная поляризация имеет максимум, расположенный в юго-западной части кольца, где она повышается до уровня ≈ 15%. Углы положения поляризации расположены почти по азимутальной схеме. Мы выполняем количественные измерения соответствующих поляриметрических свойств компактного излучения и находим доказательства временной эволюции структуры поляризованного источника за одну неделю наблюдений EHT. Приведены подробности о сокращении поляриметрических данных и методологии калибровки. Мы проводим анализ данных с использованием нескольких независимых методов визуализации и моделирования, каждый из которых проверяется на основе набора синтетических наборов данных. Общая поляриметрическая структура и ее видимая эволюция со временем нечувствительны к методу, использованному для восстановления изображения. Эти поляриметрические изображения несут информацию о структуре магнитных полей, ответственных за синхротронное излучение.” https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021ApJ...910L..12E/abstract
“Круговая поляризация - это последний сигнал, который мы искали в первых наблюдениях EHT черной дыры M87, и его было, безусловно, труднее всего проанализировать”, - говорит Эндрю Чейл, младший научный сотрудник Gravity Initiative Принстонского университета, который координировал проект. “Эти новые результаты дают нам уверенность в том, что наша картина сильного магнитного поля, пронизывающего горячий газ, окружающий черную дыру, верна. Беспрецедентные наблюдения EHT позволяют нам ответить на давние вопросы о том, как черные дыры поглощают материю и запускают струи за пределами своих галактик ".
“Сигнал с круговой поляризацией в 100 раз слабее, чем неполяризованные данные, которые мы использовали для получения первого изображения черной дыры”, - говорит Иоаннис Майзерлис, штатный астроном Института миллиметровки радиоастрономии (IRAM). “Обнаружить этот слабый сигнал в данных было все равно что пытаться подслушать разговор под стук отбойного молотка. Нам пришлось тщательно протестировать наши методы, чтобы определить, чему мы действительно можем доверять ”. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff70#artAbst
В радиодиапазоне, где длина волны достаточно велика, невозможно получить фотографию объекта в привычном смысле. Информация об отдельных фрагментах изображения сложным образом зашифрована в данных интерферометра. С помощью сложных вычислений эту информацию извлекают и из фрагментов получают изображение.
EHT собирал информацию от чёрной дыры M87 с помощью небольшого количества телескопов, работавших достаточно короткое время. При каждом измерении была получена информация лишь о небольшом участке исследуемой области. К тому же при интерферометрии изображение с высоким разрешением получается только в направлении прямой, соединяющей два используемых телескопа. Поскольку измерений было недостаточно, чтобы исследовать всю область, между полученными фрагментами осталось много неисследованных мест. Так что затем исследователи должны были восстановить полное изображение, заполнив пробелы. Это похоже на частично осыпавшуюся мозаичную картину на стене, от которой осталось лишь некоторое количество отдельных фрагментов, и теперь реставраторам по ним надо восстановить исходное изображение. Разработанные алгоритмы визуализации заполняют эти пробелы, формируя изображение чёрной дыры. Разумеется, невозможно получить реальные детали изображения, попавшие в заполняемую область, ведь, по сути, она просто определённым образом закрашивается. Это стало возможно благодаря изобретательности более 300 исследователей из 80 институтов по всему миру, которые вместе составляют EHT Collaboration. Помимо разработки сложных инструментов для решения проблем, связанных с получением данных интерферометров, команда тщательно работала в течение пяти лет, используя суперкомпьютеры для объединения и анализа своих данных, и все это при составлении беспрецедентной библиотеки моделируемых черных дыр для сравнения с наблюдениями.
Основное изображение было получено путем усреднения тысяч изображений, созданных с использованием различных вычислительных методов, — все они точно соответствуют данным EHT. В глубокой вероятностной визуализации (DPI) используется неподготовленная глубокая генеративная модель для оценки апостериорного распределения ненаблюдаемого изображения. Этот подход не требует никаких обучающих данных; вместо этого он оптимизирует данные нейронной сети для генерации выборок изображений, соответствующих определенному набору данных измерений. После определения вероятностных коэффициентов сети можно эффективно выполнить выборку апостериорного распределения. Этот подход и был применен для интерпретации интерферометрической радиоизображения, визуализации черных дыр с помощью телескопа Event Horizon Telescope, и магнитно-резонансной томографии со сжатым зондированием (MRI) в 2019.
Из-за атмосферных искажений изображения, полученные EHT, часто получаются размытыми и им не хватает желаемого уровня четкости. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи обратились к новым методам машинного обучения для разработки моделей, которые могут исправить эти искажения и повысить качество EHT-изображений. Обучая эти модели на большом наборе данных как искаженных, так и неискаженных изображений, они могут научиться распознавать атмосферные эффекты и корректировать их, что приводит к значительному улучшению четкости изображения. Алгоритмы машинного обучения превосходно распознают закономерности и извлекают значимую информацию из больших наборов данных. В случае изображений EHT эти алгоритмы могут анализировать различия между искаженными и неискаженными изображениями и учиться определять конкретные особенности, на которые влияют атмосферные искажения. Обучив модели машинного обучения исправлению атмосферных искажений, исследователи значительно улучшили качество и четкость EHT-изображений, что позволило провести более детальный анализ и получить представление о природе черных дыр.
Процесс обучения моделей машинного обучения, используемых для улучшения изображений EHT, включает два основных этапа:
Сбор данных: Исследователи собирают большой набор данных EHT-изображений, которые являются как искаженными, так и неискаженными. Эти изображения получены из разных мест и при различных атмосферных условиях, чтобы обеспечить разнообразие в обучающем наборе данных.
Обучение модели: Используя этот набор данных, исследователи обучают модели машинного обучения распознавать закономерности и характеристики атмосферных искажений. Модели учатся различать искаженные и неискаженные изображения и понимать специфические особенности, на которые влияют атмосферные условия.
В процессе обучения модели непрерывно корректируют свои внутренние параметры, чтобы свести к минимуму разницу между прогнозируемыми неискаженными изображениями и фактическими неискаженными изображениями в наборе данных. Этот итеративный процесс обучения позволяет моделям повышать свою точность с течением времени. В этих моделях используются архитектуры глубокого обучения, такие как сверточные нейронные сети (CNN), для извлечения объектов из входных изображений и изучения того, как их оптимально комбинировать. Обучая эти модели на наборе данных наземных изображений, где известен истинный вид наблюдаемого объекта, алгоритмы машинного обучения могут научиться предсказывать наилучшую стратегию объединения для данного набора входных изображений.
После обучения моделей машинного обучения их можно применять для исправления новых изображений EHT. Обученные модели анализируют входные изображения, определяют присутствующие атмосферные искажения и применяют необходимые исправления для повышения четкости изображения. Используя знания, полученные на этапе обучения, модели могут точно оценивать атмосферные искажения и получать изображения со значительно улучшенной четкостью. Эти скорректированные изображения дают ученым более четкое представление о черных дырах и помогают разгадать тайны, окружающие эти космические явления.
Что мы видим на визуализации 2. Принцип движения по геодезическим линиям.
Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого́ пространства в этой точке.
Таким образом, описание гравитационного взаимодействия между телами можно свести к описанию пространства-времени, в котором двигаются тела. Эйнштейн предположил, что тела движутся по инерции, то есть так, что их ускорение в собственной системе отсчёта равно нулю. Траектории тел тогда будут геодезическими линиями, теория которых была разработана математиками ещё в XIX веке.
Сами геодезические линии можно найти, если задать в пространстве-времени аналог расстояния между двумя событиями, называемый по традиции интервалом или мировой функцией. Интервал в трёхмерном пространстве и одномерном времени (иными словами, в четырёхмерном пространстве-времени) задаётся 10 независимыми компонентами метрического тензора. Эти 10 чисел образуют метрику пространства. Она определяет «расстояние» между двумя бесконечно близкими точками пространства-времени в различных направлениях. Геодезические линии, соответствующие мировым линиям физических тел, скорость которых меньше скорости света, оказываются линиями наибольшего собственного времени, то есть времени, измеряемого часами, жёстко скреплёнными с телом, следующим по этой траектории.
Решения уравнений Эйнштейна в некоторых случаях допускают замкнутые времениподобные линии. Замкнутая времениподобная линия возвращается в ту же точку, откуда было начато движение и описывает приход в то же самое «время», которое уже «было», несмотря на то, что прошедшее для наблюдателя на ней время не равно нулю.
На рисунке: Модель Джорджа Вонга.
Компьютерное моделирование плазменного диска вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Новый анализ циркулярно поляризованного, или спиралевидного, света в наблюдениях EHT показывает, что магнитные поля вблизи черной дыры очень сильные.
Прямые изображения чёрной дыры M87* с разницей в один год
Коллаборация «Телескопа горизонта событий» EHT (Event Horizon Telescope) опубликовала свежее прямое изображение чёрной дыры M87* в галактике Мессье 87 на удалении 55 млн световых лет от Земли. Изображение получено во время наблюдения за объектом в апреле 2018 года — спустя год после первого исторического наблюдения чёрной дыры в истории земной науки (первый снимок был показан широкой публике в 2019 году). Факт повторного наблюдения оказался важен сам по себе, ведь повторение это не только мать учения, а ещё доказательство воспроизводимости научного эксперимента. Без этого науки нет.
Следует сказать, что формально чёрные дыры остаются гипотетическими объектами. Мы банально не можем их увидеть. Но они отлично ложатся на наши теории эволюции Вселенной и заменить их чем-то другим — это наплевать на десятилетия наблюдений и десятки тысяч научных работ. Наконец, они существуют с позиций математических моделей, а это уже само по себе доказательство их реальности.
Что же мы видим? В идеальном случае чёрную дыру окружает некий объём материи, который она подтягивает к себе и поглощает. Чудовищная гравитация закручивает вещество в диск, а трение частиц в диске вызывает его разогрев — до нескольких миллионов градусов Цельсия, что начинает излучать и светится во множестве диапазонов. На фоне всего этого сияния чёрная дыра выглядит провалом в бездну.
Ни один фотон или квант другой энергии не может покинуть горизонта событий. Это тень чёрной дыры. Она может быть больше или меньше, в зависимости от активности в диске аккреции. Сам диск аккреции мы тоже видим искажённым гравитацией местами в сильно увеличенном виде за счёт эффекта гравитационного линзирования. Все эти искажения необходимо идентифицировать и распознать, после чего можно составить более-менее понятную картину происходящих событий.
Учёные изучают изменение яркости в диске аккреции, поляризацию излучений в диске, джеты, если они видны, и восстанавливают поведение вещества как в диске, так и в выбросах, вплоть до динамики поведения струй — ударные волны, турбулентности и всё такое прочее.
Получить всё это с достаточным разрешением стало возможным после создания радиотелескопа в масштабах Земли. Удобство в том, что данные с радиотелескопов элементарно синхронизируются. Поэтому за одним объектом в небе можно одновременно и даже не одновременно наблюдать со всех концов планеты, что называется радиоинтерферометрия. Каждый телескоп в планетарной сети «Телескопа горизонта событий» записывает массив нданных а жёсткий диск и передаёт в центр обработки, куда свозят свои данные все участвующие в сеансе наблюдений работники других радиообсерваторий. Именно таким образом было получено первое историческое изображение чёрной дыры M87* в апреле 2017 года.
На новом изображении, полученном год спустя, мы видим чёрную дыру того же радиуса и аккреционный диск того же размера. Изменилось только положение яркой области на диске аккреции — она повернулась на 30 градусов против часовой стрелки. Новое изображение подтвердило наши знания о чёрных дырах, например, что она не будет стремительно расти в размерах. От объекта M87*, например, ожидают, что он почти не изменит своего внешнего вида за время существования человечества. Что же, судя по второму снимку, именно так всё и будет происходить.
Но наблюдать за чёрными дырами важно, даже если внешних изменений не так много. Мы всё равно собираем данные о процессах и магнитных полях в дисках аккреции и каждый раз всё больше и больше понимаем о происходящих там явлениях и чёрных дырах. Поэтому учёные наблюдали за M87* в 2021 году, в 2022 и намерены провести сеанс наблюдений в 2024 году. В сеть «Телескопа горизонта событий» подключается всё больше радиотелескопов, что повышает разрешение, наблюдения начинают вестись в большем числе диапазонов (было два, теперь четыре), совершеннее становятся алгоритмы обработки данных. Наше умение изучать чёрные дыры может дойти до такого уровня, что они навсегда расстанутся со статусом гипотетических объектов и перейдут в статус реальных.
Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.
Проблема планковских ЧД, что они никак не взаимодействуют с веществом, ибо невообразимо малы. Если сечение взаимодействия нейтрино с веществом 10⁻⁴³, то у микроскопических ЧД оно 10⁻⁶⁶. Нейтрино ловят в час по чайной ложке на мегадетекторах, а в случае ЧД сечение взаимодействия ещё на... 23, мать его, порядка величины меньше. И не надо бояться, что такие ЧД нас поглотят. Мы для них прозрачны, мы для них не существуем вовсе. А весит такая - микрограмм.