Черные дыры фото: Черные дыры в космосе их фотографии |

Содержание

«Это шаг к пониманию того, как устроен мир» – Огонек № 14 (5559) от 15.04.2019

Первая фотография черной дыры, полученная с помощью системы радиотелескопов Event Horizon Telescope, стала главной новостью прошлой недели.

Есть на фото — значит существует!

Фото: Event Horizon Telescope / National Science Foundation via REUTERS

Беседовала Светлана Сухова

Научное сообщество гудит. Для сенсационного заявления использовали сразу шесть мировых площадок — Брюссель, Вашингтон, Сантьяго-де-Чили, Тайбэй, Токио и Шанхай. Озвучка новости шла на четырех языках. И все ради того, чтобы презентовать несколько фото. При этом «красотка» находится страсть как далеко от планеты Земля — в галактике Messier 87, что в скоплении Девы. Сверхмассивный коллапсар превышает по размерам Солнечную систему. Интернет тут же отреагировал на новость массовым перепостом и сотнями мемов. Что дают ученым фотографии черной дыры, «Огоньку» рассказал старший научный сотрудник головного академического института по исследованию и использованию космического пространства (Института космических исследований РАН), кандидат физико-математических наук Олег Цупко.

— Олег Юрьевич, объясните, пожалуйста, не астрономам, что такое черная дыра и что такое тень черной дыры.

— Я бы начал с того, что существование черных дыр является одним из фундаментальных предсказаний Общей теории относительности. Черная дыра представляет собой область пространства — времени, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может ее покинуть. Черные дыры создают вокруг себя очень сильное гравитационное поле, поскольку большая масса сосредоточена в очень малых размерах. Настолько сильная гравитация приводит к тому, что лучи света, движущиеся около черной дыры, могут как захватываться черной дырой, так и очень сильно отклоняться и даже двигаться по круговым орбитам. За счет этих эффектов возникает темное изображение черной дыры — так называемая тень черной дыры.

В настоящее время считается, что в центре большинства галактик имеется сверхмассивная черная дыра, с массой в миллионы и даже в миллиарды масс Солнца. Находящийся далеко наблюдатель должен «видеть» черную дыру как темное пятно на небе (на фоне ярких источников). Это пятно и называется тенью черной дыры. В случае сверхмассивных черных дыр пятно видно на фоне света от вещества, находящегося в непосредственной близости от черной дыры. Размер и форма тени зависят от свойств черной дыры и от положения наблюдателя.

— Какое значение для науки имеет фото черной дыры и оправдан ли тот шум, что поднялся в сети после его публикации?

— Значимость этого открытия для Общей теории относительности и для науки в целом сравнима с недавним открытием гравитационных волн (подробнее — см. «Огонек» № 37 за 2018 год). Есть множество других весомых свидетельств существования черных дыр, но полученное изображение тени черной дыры является прямым и наиболее убедительным доказательством их существования. Никогда ранее ученые не могли сказать, что они «видят» черную дыру.

Фотография черной дыры — это тот редкий и приятный случай, когда поднятый шум полностью соответствует научной ценности результата.

Гораздо чаще мы имеем дело с иной ситуацией: когда поднимаемый в СМИ, соцсетях и интернете шум зависит не столько от научной ценности исследования, сколько от того, как эффектно поданы его результаты. А вот в этом случае результат огромной научной работы действительно возможно подать в очень эффектном виде — в виде одной картинки.

— Что знает научный мир сегодня о черных дырах?

— Существует как огромное количество теоретических работ, описывающих свойства черных дыр с самых разных сторон, так и достаточно много убедительных наблюдательных доказательств их существования. Поскольку сейчас речь идет о наблюдательном открытии, остановлюсь на том, какие наблюдательные свидетельства существования черных дыр были у ученых до прошлой недели.

Во-первых, как я уже говорил, считается, что в центре большинства галактик имеется сверхмассивная черная дыра, с массой в миллионы и даже в миллиарды масс Солнца. Например, в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра массой в несколько миллионов масс Солнца. Это установлено по наблюдениям звезд, вращающихся вокруг центра нашей Галактики, в совокупности с оценками размеров области пространства, где этот центральный объект предполагается. Говоря простым языком: ученые видят, что звезды в центре нашей Галактики вращаются вокруг чего-то невидимого, но очень массивного, причем эта огромная масса сосредоточена в очень малых масштабах. Отсюда ученые и приходят к выводу, что это черная дыра.

Кстати, наблюдения тени сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики тоже проводились в проекте Event Horizon Telescope, но результаты пока не обнародованы. (Представленный снимок — это снимок черной дыры в галактике M87.)

Во-вторых, есть черные дыры в так называемых двойных системах — когда черная дыра звездной массы (не сверхмассивная) находится в паре с обычной звездой. В этом случае может возникнуть поток вещества с обычной звезды на черную дыру, увеличивается светимость и появляется яркий источник, который можно наблюдать. Пример такого источника — Лебедь X-1.

В-третьих, важный шаг по подтверждению существования черных дыр был сделан при недавнем открытии гравитационных волн. Полученный сигнал согласуется с тем, что он вызван слиянием двух черных дыр.

Все эти примеры были известны. Но представленный снимок черной дыры — первое прямое и наиболее убедительное на данный момент доказательство существования черных дыр.

— Способно ли эта фото изменить наши представления?

— Черные дыры описываются Общей теорией относительности. Существовали также убедительные наблюдательные свидетельства их существования (см. выше). Поэтому большинство ученых не сомневалось в существовании черных дыр. Тем не менее ученые, честности ради, часто употребляли слова не «черная дыра», а «кандидат в черную дыру». И считалось, что прямым доказательством их существования станет именно наблюдение тени черной дыры, поскольку образование тени связано с движением лучей света в непосредственной близости от черной дыры. Поэтому самый главный вывод состоит в том, что сейчас получено прямое и наиболее убедительное на данный момент доказательство существования черных дыр.

— Черные дыры — весьма далекие от Земли объекты. Почему человечество уделяет им столько внимания?

— Черная дыра — один из самых популярных объектов в астрофизике, причем как для ученых, так и для широкой публики. Объясняется это удивительными свойствами черных дыр, что следует из Общей теории относительности Эйнштейна — одной из самых фундаментальных теорий на данный момент. Поэтому изучение черных дыр и любое подтверждение их существования и свойств вносят огромный вклад в наше понимание того, как вообще устроен мир.

Добавлю, что в нашей научной группе в ИКИ РАН, возглавляемой профессором Геннадием Бисноватым-Коганом, около пяти лет ведутся активные теоретические исследования тени черных дыр. Опубликовано пять работ в одном из самых престижных научных журналов — Physical Review D. В прошлом году мы опубликовали исследование о том, как расширение Вселенной будет влиять на наблюдаемый размер тени черной дыры. Во Вселенной есть сверхмассивные черные дыры, которые гораздо дальше от нас, чем черная дыра в галактике M87. На больших (как говорят, космологических) расстояниях становятся важными эффекты расширения Вселенной. В том числе расширение Вселенной начинает существенно влиять на размер тени сверхмассивной черной дыры. Мы показали, что для очень далеких черных дыр расширение Вселенной приводит к увеличению размера тени. Это важно, поскольку основная проблема в наблюдении тени — ее очень маленький размер на небе. А за счет влияния расширения Вселенной появляется надежда увидеть тень не только ближайших к нам сверхмассивных черных дыр, но и очень-очень далеких. Примечательно, что размер тени сверхмассивной черной дыры на космологических расстояниях может достигать размера тени в галактике M87. Поэтому наше предсказание возможно проверить уже в ближайшем будущем.

они ключ к пониманию тайны Млечного Пути

Эти черные дыры могут предоставить новую информацию о происхождении сверхмассивной черной дыры Стрелец А* в центре нашей галактики.

Что вам нужно знать о фотографии черной дыры Стрельца A*

На прошлой неделе, в четверг, 12 мая, коллаборация Event Horizon Telescope представила первое в истории изображение Стрельца A* (Sgr A*), черной дыры в центр нашей Галактики, Млечный Путь.

Это замечательное изображение появилось спустя три года после самого первого снимка черной дыры, на котором изображена M87*, черная дыра в центре галактики M87. Два изображения выглядят одинаково, несмотря на различия между двумя черными дырами: масса Sgr A* в четыре миллиона раз больше массы Солнца и в тысячу раз меньше массы M87*. Представьте, что вы ищете пончик на поверхности Луны с Земли: именно столько площади неба занимает Sgr A*.

Изображение также является наиболее убедительным доказательством того, что Стрелец A* действительно является сверхмассивной черной дырой.

Что изображено на изображении?

Технически, вы не можете сфотографировать саму черную дыру — в конце концов, все дело в том, что никакой свет не может выйти наружу. Светящееся оранжевое кольцо на этой фотографии показывает материю, окружающую Sgr A*, а «тень» в центре показывает саму черную дыру.

Черная дыра обладает невероятно сильным гравитационным притяжением и будет притягивать любой газ и пыль поблизости на орбиту вокруг себя. Поскольку этот материал закручивается внутрь почти со скоростью света, трение нагревает его, и он излучает энергию в виде радиоволн. Телескоп Event Horizon, который улавливает радиочастоты, улавливает это и регистрирует как яркое гало вокруг черной дыры.

Окончательное изображение является результатом усреднения нескольких отдельных снимков.

Где Стрелец А*?

Стрелец A* находится в центре нашей Галактики, Млечном Пути. С Земли мы можем видеть его в созвездии Стрельца, и оно находится на расстоянии более 26 000 световых лет.

Как работает Телескоп Горизонта Событий?

Телескоп Event Horizon часто называют «телескопом размером с Землю» и «виртуальным телескопом». Но что конкретно это означает?

В астрономии чем больше телескоп, тем лучше. Любительский телескоп с 60-миллиметровым объективом покажет вам достойный вид поверхности Луны или даже Юпитера и Сатурна, тогда как 2,4-метровое зеркало космического телескопа Хаббла дает потрясающие изображения туманностей и галактик. Между тем, диаметр зеркала недавно запущенного космического телескопа Джеймса Уэбба составляет 6,5 м, а диаметр главного зеркала строящегося на Земле Чрезвычайно большого телескопа составляет 39 м.

Хаббл, Джеймс Уэбб и ELT — фантастические инженерные подвиги, но их зеркала — ничто по сравнению с Телескопом Горизонта Событий. Соединив вместе 11 телескопов по всему миру, EHT может эффективно создать один телескоп с зеркалом размером с Землю.

Местоположение Sgr A* в Млечном Пути над Большой миллиметровой/субмиллиметровой решеткой Атакама © ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.org), EHT Collaboration

Этот виртуальный телескоп невероятно мощный. Это все равно, что сидеть в пивном саду в Мюнхене и смотреть на пузырьки в пивном стакане в Нью-Йорке.

«Пока Земля вращается, все телескопы наблюдают один и тот же астрономический объект в течение нескольких часов, — объяснил Томас П. Кричбаум на пресс-конференции в штаб-квартире Европейской южной обсерватории недалеко от Мюнхена. — На каждом телескопе данные записываются на жесткие диски и время точно фиксируется точными атомными часами. После наблюдений данные отправляются в центры обработки, где они объединяются в суперкомпьютерах.

«После ряда довольно сложных шагов анализа данных получается изображение радиоисточника с высоким разрешением.»

Почему прошло так много времени после получения изображения M87*?

Это потому, что наблюдение через EHT не похоже на просмотр в телескоп-рефлектор в вашем саду. В ответ вы получаете огромное количество данных, которые необходимо проанализировать и обработать, прежде чем они станут изображением.

Больше похоже на это

Изображение Sgr A* было сделать даже сложнее, чем изображение M87*. «Газ в окрестностях черных дыр движется с одинаковой скоростью — почти со скоростью света — вокруг Sgr A* и M87*», — сказал Чи-Кван Чан, ученый EHT из Университета Аризоны, США.

«Но там, где газу требуется от нескольких дней до нескольких недель, чтобы совершить оборот вокруг более крупного M87*, в гораздо меньшем Sgr A* он совершает полный оборот за считанные минуты. Это означает, что яркость и структура газа вокруг Sgr A* быстро менялись по мере того, как коллаборация EHT наблюдала за ним — это немного похоже на попытку сделать четкий снимок щенка, который быстро гоняется за своим хвостом».

Карта телескопов, составляющих Телескоп горизонта событий © ESO/M Kornmesser

Что это изображение говорит нам о науке о черных дырах?

«Мы были ошеломлены тем, насколько точно размер кольца согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна», — сказал ученый проекта EHT Джеффри Бауэр из Института астрономии и астрофизики Академии Синика, Тайбэй. улучшили наше понимание того, что происходит в самом центре нашей Галактики, и предложили новое понимание того, как эти гигантские черные дыры взаимодействуют со своим окружением».0003

Черные дыры представляют крайности того, что может описать Общая теория относительности, и в будущем EHT будет рыскать в них до тех пор, пока теория не сработает.

Почему он называется Sgr A*?

Когда он был впервые обнаружен, астрономы не знали, что создает таинственный радиосигнал в центре нашей Галактики. Так, из-за расположения в созвездии Стрельца радиоисточник был назван Стрелец А.

Более поздние наблюдения показали, что Стрелец А на самом деле состоит из трех компонентов, наиболее заметным из которых является яркий компактный объект в центре . Роберт Браун, обнаруживший этот объект вместе с Брюсом Баликом в 1974, назвал его Стрельцом А*, чтобы отличить его от Стрельца А в целом.

Браун, как говорят, выбрал это имя, потому что открытие было захватывающим, а символ «*» — это существующее обозначение в физике для обозначения атома в «возбужденном» состоянии.

Что ждет EHT в будущем?

EHT находится в процессе значительных технических обновлений. Наблюдения в марте 2022 года включали больше радиотелескопов, чем когда-либо прежде, а будущие выпуски могут даже включать фильмы о черных дырах.

Почему в центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра и стоит ли нам беспокоиться?

Почти каждая известная большая галактика имеет сверхмассивную черную дыру в своем центре, однако пока неизвестно, образовались ли галактики вокруг семени черной дыры или центр галактик схлопнулся в черные дыры. Существование сверхмассивных черных дыр вообще до сих пор остается загадкой: как они выросли до таких огромных размеров даже в ранней Вселенной?

В любом случае, не беспокойтесь: в ближайшее время нас не засосет стрелок A*. Черные дыры не «съедают» материю как таковую — они просто имеют большую массу, поэтому их гравитационное притяжение особенно велико. Мы бы точно так же вращались вокруг центра нашей Галактики, если бы черная дыра была заменена любым другим объектом с такой же массой.

Узнайте больше о черных дырах:

7 «фактов» о черных дырах, которые не соответствуют действительности
Как мы можем использовать энергию черной дыры
Вот что может произойти, если вы упадете в черную дыру
Возможна ли жизнь вокруг черной дыры?

Первое в истории изображение черной дыры

Исследователи Макса Планка, участвовавшие в прямом наблюдении массивной гравитационной ловушки в галактике Мессье 87

Черные дыры поглощают весь свет и поэтому невидимы. То, что звучит правдоподобно, к счастью, на практике для астрономов немного отличается. Потому что черные дыры окружены светящимися газовыми дисками и поэтому выделяются на темном фоне, подобно черному коту на белом диване. Таким образом, телескопу Event Horizon впервые удалось сфотографировать черную дыру. Эта всемирная сеть из восьми наземных радиотелескопов сфокусирована на галактике Мессье 87, находящейся на расстоянии около 55 миллионов световых лет. В наблюдении также участвуют исследователи из Института радиоастрономии им. Макса Планка и Института радиоастрономии миллиметрового диапазона (IRAM).

В апреле 2017 года ученые впервые соединили восемь телескопов по всему миру, сформировав таким образом виртуальный телескоп с апертурой, почти равной диаметру Земли. Интерферометрия со сверхдлинной базой (VLBI) — так называется этот метод, при котором сигналы отдельных антенн накладываются друг на друга. Эта синхронизация происходит с помощью высокоточных атомных часов с точностью до наносекунды. Может быть достигнуто предельное угловое разрешение менее 20 угловых микросекунд; если бы наши глаза обладали такой силой, мы могли бы видеть отдельные молекулы в наших руках.

В сеть этого так называемого Телескопа Горизонта Событий (EHT) вошли 30-метровое зеркало IRAM в Испании и телескоп APEX в Чили, в которых участвует Институт радиоастрономии им. Макса Планка. Только в 2017 году телескопы зафиксировали в общей сложности около четырех петабайт данных — настолько большой объем, что почтовая транспортировка на самом деле быстрее и эффективнее, чем отправка данных через Интернет. Данные измерений были откалиброваны и оценены в Институте радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне с использованием суперкомпьютера-коррелятора.

«Результаты впервые дают нам четкое представление о сверхмассивной черной дыре и знаменуют собой важную веху в нашем понимании фундаментальных процессов, определяющих формирование и эволюцию галактик во Вселенной», — говорит Антон Зенсус, директор в Институте Макса Планка в Бонне и председатель Совета по сотрудничеству EHT. Зенсус сказал, что замечательно, что в этом проекте астрономические наблюдения и теоретические интерпретации быстрее, чем ожидалось, привели к ожидаемому результату.

По словам директора IRAM Карла Шустера, успех основан на «десятилетиях европейского опыта» в миллиметровой астрономии. «Еще в 1990-х годах Институт Макса Планка в Бонне и наш институт с двумя его обсерваториями технически и научно продемонстрировали, что у нас есть уникальный метод радионаблюдений с высоким разрешением для анализа непосредственного окружения сверхмассивных черных дыр. учреждение, софинансируемое Обществом Макса Планка, активно участвовало в кампании со своим 30-метровым телескопом, который благодаря своему расположению в Европе и исключительной чувствительности сыграл решающую роль в успехе EHT-наблюдений9.0003

Сердце сверхмассивной галактики M 87 обладает двумя особыми характеристиками, которые делают его подходящим кандидатом для проекта: благодаря своему необычному размеру и относительной близости к Земле оно хорошо видно, что делает его идеальным объектом изучения для астрономов; у которых, благодаря глобальной сети телескопов, наконец-то появился инструмент для непосредственного наблюдения за таким экзотическим объектом.

Области вокруг сверхмассивных черных дыр подвержены самым экстремальным условиям, которые мы знаем в космосе. Черные дыры — удивительные космические объекты, обладающие невероятной общей массой на крошечном участке пространства. Их масса и, следовательно, их гравитационное притяжение настолько велики, что даже свет не может ускользнуть от них. Поэтому они остаются черными — и их невозможно воспринять напрямую.

Единственный способ увидеть черные дыры — воспроизвести их «тень». Это вызвано чрезвычайно сильной дифракцией света — как раз перед тем, как он безвозвратно исчезнет в черной дыре. Радионаблюдения с высоким разрешением в миллиметровом диапазоне волн позволяют астрономам проникать к краям черных дыр, не подвергаясь воздействию плотных пылевых и газовых облаков.

Опубликованное сейчас изображение было получено на длине волны 1,3 миллиметра и ясно показывает кольцеобразную структуру с темной центральной областью — тенью черной дыры. Вокруг этого очень массивного и компактного объекта с большими скоростями движется горячая газовая плазма. Кольцеобразная структура на изображении есть не что иное, как сильно разогретая материя вокруг массового монстра, свет которого отклоняется и усиливается сам по себе, как линза. Пройдя около 55 миллионов световых лет, он встречается с телескопами сети EHT.

Место происхождения, M 87, представляет собой эллиптическую гигантскую галактику вблизи центра скопления галактик Девы. Шарль Мессье внес объект в свой каталог в 1781 году под номером 87. Галактика также известна как сильный радиоисточник под названием Дева А и очень активна. Из его ядра вырывается струя вещества длиной не менее 5000 световых лет, которая разгоняется в аккреционном диске черной дыры в центре и вытекает в виде сильно сгруппированного пучка перпендикулярно этому диску с большой скоростью.

Тень многое рассказывает исследователям о природе центрального механизма и позволяет точно определить огромную общую массу черной дыры М 87. Она составляет около 6,5 миллиардов солнечных масс. Это значение хорошо согласуется с полученным из других наблюдений.

«На протяжении многих десятилетий мы могли лишь косвенно обнаруживать черные дыры, — говорит Майкл Крамер, директор Института радиоастрономии Макса Планка. Затем, несколько лет назад, детекторы впервые измерили гравитационные волны и сделали слышимым влияние черных дыр на пространство-время при их слиянии. «Теперь мы, наконец, можем их увидеть и имеем возможность изучать эти экзотические объекты и их экстремальную кривизну пространства-времени со всем их очарованием уникальным способом», — говорит ученый, один из главных людей, ответственных за проект BlackHoleCam в рамках EHT с примерно 200 исследователями.

Наблюдения продолжаются. С конца 2018 года NOEMA, вторая обсерватория IRAM во французских Альпах, также является частью всемирной сети. Благодаря двенадцати высокочувствительным антеннам NOEMA станет самым мощным телескопом EHT в северном полушарии. «Благодаря NOEMA мы выйдем на новый уровень чувствительности и получим еще более захватывающую информацию», — говорит Карл Шустер.