Содержание
Что значит фотография черной дыры
Разбор
Николай Удинцев
11 апреля 2019 20:59
«Афиша Daily» вместе с Александром Лутовиновым, преподавателем МФТИ, заместителем директора по научной работе Института космических исследований РАН и профессором РАН, разбирается, что для человечества значит первый снимок черной дыры в галактике M87, который ученые представили 10 апреля.
1. Все фотографии черных дыр до этого были ненастоящими
Возможно, вы видели красивые фотографии с сайтов NASA и ESA, на которых черные дыры выглядят как круги пустоты в окружении звезд. На самом деле это не настоящие изображения с телескопов, а модели или художественные концепты. «Фотографий черных дыр как таковых раньше не было, — объясняет Лутовинов. — Были модели, то есть то, каким мы предполагаем вид черных дыр, исходя из косвенных результатов наблюдений».
2. Поэтому это первое изображение черной дыры
Это не значит, что черные дыры раньше не наблюдали.
С помощью специальных телескопов фиксировали рентгеновское излучение, которое создавало падающее в черные дыры вещество, и получали не такие красивые изображения, но зато находили места, где черные дыры есть. Еще один метод — долгое время наблюдать за поведением звезд в определенном регионе и сделать вывод, что там находится еще один объект, который не видно.
«По косвенным признакам мы даже оценивали массы черных дыр, которые находятся в центрах нашей и других галактик, — говорит Лутовинов. — Например, с помощью очень чувствительных телескопов 15 лет следили за движением звезд вблизи центра нашей галактики: было видно, что звезды совершают движение по эллиптическим траекториям вокруг объекта в центральной точке. И по движению этих звезд получалось, что в центре галактики есть черная дыра массой 3 миллиона масс Солнца».
Чтобы сделать этот снимок черной дыры, астрономы вели наблюдение в течение 10 дней в апреле 2017 года, потом еще два года обрабатывали полученные данные, которые хранились на специальных жестких дисках.
Поскольку телескопы создавали огромное количество данных — примерно по 350 терабайт в день, — информацию нельзя было передать по интернету, поэтому ученые хранили их на десятках жестких дисков.
3. И это снимок с невероятным масштабом
Черная дыра в M87 очень большая — ее масса оценивается в 6,5 миллиарда масс Солнца. Для сравнения: масса сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути оценивается в 4,3 миллиона масс Солнца. Но также она находится очень далеко от Земли — в 55 миллионах световых лет (для сравнения: расстояние до галактики Андромеда оценивается в 2,52 миллиона световых лет).
В итоге расстояние на небе, которое занимает черная дыра в M87, составляет всего 20 микросекунд. Чтобы понять, что это значит, представьте 50-копеечную монету, которую наблюдают с расстояния в 3,5 километра: угол между глазом и краями монеты составит 1 угловую секунду. А угловая микросекунда в миллиард раз меньше угловой секунды.
«20 микросекунд дуги — это выдающееся достижение, рекордное угловое разрешение, — говорит Лутовинов.
— Угловой размер Луны или Солнца на небе составляет примерно полградуса, а здесь достигнуто угловое разрешение в 20 микросекунд. Образно говоря, это позволило бы читать газету в Нью-Йорке, сидя в кафе в Париже».
4. На то, чтобы его сделать, ушло почти 100 лет
Впервые о существовании черных дыр заговорили почти сто лет назад, когда немецкий физик Карл Шварцшильд вывел из общей теории относительности Эйнштейна существование областей, где вещество и энергия сосредоточены так плотно, что гравитация не выпустит свет и искривит пространство. Несмотря на то что астрономы не могли наблюдать черную дыру непосредственно, в их существовании никто не сомневался. «Оно логичным образом следует из общей теории относительности, из того, как мы понимаем физику и как представляем себе устройство вселенной, — объясняет Лутовинов. — До этого существование черных дыр подтверждалось косвенно — например, за массивными компактными объектами в двойных системах или сверхмассивными объектами в центрах нашей или других галактик».
5. Но саму черную дыру все равно не увидеть
Поскольку черная дыра ничего не излучает, ее нельзя увидеть просто так. Но зато можно увидеть вещество, которое с большой скоростью падает на черную дыру. «Если черная дыра где‑то в пустом пространстве одна, ее не увидеть — она ничего не излучает, — говорит Лутовинов. — Но мы все-таки можем регистрировать излучение от черных дыр, однако светит не сама дыра, а ее окрестности. Если поставить рядом с ней звезду или поместить черную дыру в облако газа и пыли, то за счет гравитации она начнет притягивать вещество. Оно будет падать на черную дыру, вокруг дыры сформируется аккреционный диск, который разогреется до сотен миллионов градусов и начнет светиться. Это свечение мы и видим». Светлые участки на фотографии — вещество, которое падает на дыру, а темный участок в центре снимка — тень черной дыры, место, где она находится и откуда не выходит свет.
6. Этот снимок подтверждает теорию Эйнштейна
Полученный снимок черной дыры, во-первых, подтверждает понимание общей теории относительности Эйнштейна — например, что у черной дыры должна быть тень, которая находится за светящимся веществом, которое на нее падает, — а во-вторых, говорит о том, что астрономы правильно представляли устройство и работу черных дыр.
7. В «Интерстелларе» показали правду (ну почти)
Самое известное изображение черной дыры в поп-культуре — Гаргантюа из «Интерстеллара» Кристофера Нолана. Ее модель помогал делать Кип Торн — астроном, эксперт по черным дырам и лауреат Нобелевской премии за регистрацию гравитационных волн. Также известно, что во время съемок от некоторых научных деталей специально отказались, чтобы сделать картинку более зрелищной. Тем не менее Гаргантюа похожа на то, что происходит с реальными черными дырами. «Не будем говорить про детали, но это правильное изображение, просто черную дыру в центре M87 мы видим под другим углом», — уточняет Лутовинов.
8. Теперь у человечества есть телескоп размером с Землю
Чтобы сделать снимок черной дыры, мало просто одного телескопа или интерферометра. Потребовалась сеть из восьми обсерваторий по всему миру: интерферометр ALMA и радиотелескоп APEX в Чили, радиотелескоп Генриха Герца в Аризоне, IRAM в Испании, телескоп Джеймса Кларка Максвелла на Гавайях, телескоп Южного Полюса в Антарктике и другие.
Европейская южная обсерватория называет этот проект «телескопом размером с Землю».
«В интерферометрии для высокого углового разрешения нужно, чтобы расстояние между телескопами было как можно больше: чем больше расстояние, тем более мелкие детали увидите при наблюдении, — объясняет Лутовинов. — Самое большое расстояние, которое можно получить без выхода в космос, это диаметр Земли. Поскольку телескопы расположены на разных континентах, то образное выражение «телескоп размером с Землю» можно считать верным». В будущем к сети присоединят интерферометр IRAM NOEMA во французских Альпах, обсерваторию Китт-Пик в Аризоне и телескоп в Гренландии.
9. Возможно, мы увидим черную дыру в центре нашей галактики
«Есть несколько направлений исследования черных дыр. Например, «Телескоп горизонта событий» уже смотрел и, наверное, еще будет смотреть на черную дыру в центре нашей галактики. Тут есть некоторые сложности. Во-первых, M87 мы видим как бы с лица, а на свою черную дыру смотрим на просвет — через газ и пыль, потому что находимся в диске галактики.
Во-вторых, вокруг самой черной дыры находится облако, которое мешает ее увидеть. В-третьих, излучение черной дыры переменное на небольших временных масштабах, что создает определенные сложности. Как я сказал выше, коллеги из ТГС на нее смотрели, и, если все эти эффекты аккуратно учтут и уберут, у них что‑то будет».
10. Возможно, черные дыры помогут понять устройство Вселенной
«21 июня должна полететь обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма». Это крупнейший российский проект, можно сказать, флагманский проект Роскосмоса и Академии наук, в котором участвует Германия, создавшая один из двух установленных на обсерватории телескопов. Второй телескоп изготовлен в России при сотрудничестве Института космических исследований РАН и Российского федерального ядерного центра в Сарове. Обсерватория будет четыре года делать обзор всего неба, за это время получит самую глубокую карту видимой Вселенной в рентгеновских лучах и увидит порядка 3–4 миллионов сверхмассивных черных дыр, то есть почти всех черных дыр в других галактиках.
Конечно, она не увидит их изображения, а просто зарегистрирует излучение.
Эти черные дыры родились в разное время — до 10 миллиардов лет назад. И когда мы проверим их, узнаем, на каких расстояниях они находятся, и оценим их массы, мы поймем, как Вселенная развивалась и какую роль в этом играла темная энергия. Это большой шаг к пониманию устройства мира. Если сейчас мы сделали шажочек и понимаем, как работает теория относительности, то тут, наверное, сможем сказать, как устроена Вселенная и как она развивалась за 7–10 миллиардов лет».
расскажите друзьям
теги
черная дыраТелескоп горизонта событийM87РАНNASAРоскосмос
люди
Александр ЛутовиновКристофер Нолан
комиксы, гиф анимация, видео, лучший интеллектуальный юмор.
Генератор Пенроуза на пальцах
Все когда–то слышали фамилию Шварцшильд в разговоре о черных дырах, наряду с такими, как Шредингер, у которого кот или Гейзенберг, который никак не определится.
Карл Шварцшильд первым дал четкое математическое определение невращающихся черных дыр, то есть взял уравнения Общей Теории Относительности Эйнштейна и решил их. Вот представьте себе, что будет, если мы возьмем какую–нибудь, совершенно неважно какую, материю и сожмем до невероятной плотности?
Получится черная дыра Шварцшильда, с горизонтом событий, который находится на радиусе Шварцшильда. Короче, чувак вписал себя и свою фамилию в историю «просто решив уравнения Эйнштейна для одного конкретного случая». Ну, он не только этим всю жизнь занимался, конечно же, но вот никогда не угадаешь, каким образом попадешь в историю или как вляпаешься в нее.
Схема черной дыры Шварцшильда в пространстве и в пространстве–времени
Уравнения Эйнштейна — довольно серьезный матан (на самом деле просто длинный и жутко нудный, потому что его очень много, хотя ничего особо сложного там нет, 2–3 курс физики/математики профильного института), Шварцшильд решал их в течение месяца.
Точнее сказать, через месяц после того, как Шварцшильд посетил лекцию Эйнштейна о Теории Относительности, он прислал Альберту письмо, в котором сообщил о том, что нашел одно из решений данных уравнений при помощи хитрого трюка/преобразования. Шварцшильд вычислял уравнения не в обычных–привычных, а в так называемых полярных координатах, это у которых в центре точка, и от нее отмеряются углы и расстояния. При соответствующем подборе коэффициентов данная точка оказывается точкой сингулярности, центром черной дыры, а радиусом черной дыры, который еще называют радиусом Шварцшильда, оказывается расстояние, на котором вторая космическая скорость равна скорости света. Все просто и гениально. Ну, не так, чтобы прям совсем просто, если хотите посмотреть вывод решений Шварцшильда, обратитесь к соответствующей статье в википедии. Статья на английском, русского перевода нет, но и так видно, что формул там предостаточно, хотя это действительно самое простое, что есть в Теории Относительности, реально детский лепет по сравнению с тем, какие заковырки можно в ней откопать.
Полярные координаты
Кстати говоря, через 5 месяцев после этого Шварцшильд умер. Не потому, что так перетрудился с решением. Шла Первая мировая война, Карл воевал с Россией на стороне Германии. Точнее говоря, как раз в это время он не воевал, а лежал в госпитале, но не по ранению, а по какой–то гадкой неизлечимой тогда болезни, и вот, пока лежал, развлекался решением уравнений Эйнштейна. Судьба ученых вообще очень часто загадочная и неисповедимая штука. Тебе скучно, нет возможности убивать русских солдат и реально нечем заняться? Порешай уравнения Теории Относительности, развейся немного, фашист проклятый… Короче говоря, Шварцшильд развлекался как мог, через три месяца его комиссовали, и еще через два месяца он благополучно умер дома в своей постели.
Все это я к тому, что Шварцшильд выдал решение (нашел соответствующую метрику) для простейшего случая невращающейся черной дыры. За месяц. И тогда уже сразу ученые поняли, что в случае вращающейся черной дыры решение окажется гораздо–гораздо сложней, ибо появляется масса факторов, повышающих градус матана до предела.
Но насколько все окажется сложней/горячей тогда еще не догадывались. Не буду тянуть интригу, решение для вращающейся черной дыры удалось найти только через 47 лет, это сделал в 1963 году новозеландский математик Рой Керр, потому топологию вращающейся черной дыры называют метрикой Керра.
То есть почти 50 лет все мировые ученые, элита человечества, элементарно не могли решить набор готовых уравнений. Представляете, какие они тупые, эти ученые? Ну, или, что тоже может быть, какие уравнения выходят сложные?
Не будем лезть в формулы, попробуем на пальцах™ описать, чем вращающаяся черная дыра отличается от невращающейся, хотя бы визуально, хотя бы по проявляющимся эффектам.
Основная (или одна из самых трудных для восприятия) заковырка получается в том, что черная дыра «вращается не сама по себе». Пространство–время вокруг вращается вместе с ней, черная дыра увлекает пространство–время за собой. Вокруг вращающейся черной дыры появляется водоворот пространства–времени, а это вообще практически невозможно визуализировать.
Вот представьте себе, висите вы в скафандре перед черной дырой. Простой черной дырой, невращающейся. Какие есть пути? Есть путь падать в черную дыру, потому что она притягивает, есть путь попытаться избежать этого. Если в скафандре есть двигатель, можно включить его и постараться улететь от судьбы. И тут все уже знают — если ты еще не пересек горизонт событий, у тебя все еще есть такой шанс, если же провалился под него — никакого шанса, кроме как быть поглощенным черной дырой, больше не существует.
У невращающейся черной дыры
А когда ты висишь перед вращающейся черной дырой, ты не можешь просто так «висеть». У черной дыры образуется что–то вроде вихря пространства–времени, который наматывает все сущее вокруг нее. Не потому, что ты «совершил маневр и вышел на орбиту» или что–то в этом роде. Тебя просто начинает тащить по кругу (точнее по сужающейся спирали) вне твоей воли. Этому можно противиться, пока ты находишься над горизонтом событий, но выбираться придется не только вдаль от черной дыры, а еще и бороться с движением вращения.
У вращающейся черной дыры
Если хочется совсем себе мозг поломать, можно вспомнить, что в Теории Относительности у нас везде не пространство, а пространство–время, и водоворот вокруг черной дыры заворачивает не только три координаты пространства, но и координату времени. Представить себе и рассчитать закрученное в спираль время — тот еще mindfuck, у решения Керра именно потому такие формулы сложные, эффекты там совершенно непредсказуемые. Но это действительно тема для сильных духом (и мозгом) людей, не будем глубоко в нее нырять, можно не выгрести, продолжим путь по нисходящей спирали к центру вращающейся черной дыры без учета эффектов искажения времени.
Как и любой вращающийся вокруг своей оси предмет, черная дыра тоже начинает раздаваться вширь и приплющиваться со стороны полюсов. В смысле горизонт событий начинает вытягиваться, поверхности–то у черной дыры нет. Мало того, горизонт событий разделяется на два независимых горизонта, внутренний и внешний.
Два горизонта вращающейся черной дыры
Любое залетевшее под внешний горизонт событий тело уже никогда не выберется наружу само по себе. Даже фотон со своей скоростью света не сможет. Но тут есть и существенное отличие с обычной черной дырой. Внутренний горизонт событий — это точка (в смысле поверхность) полного невозвращения, оттуда убежать невозможно. А вот из–под внешнего горизонта событий вращающейся черной дыры нельзя выбраться лишь «самому по себе», но может получиться «с чьей–то помощью». Например с помощью ракетного двигателя.
Вообще расхожий пример, что черная дыра похожа на воронку водоворота, уже заезжен до дыр, но он действительно очень хорошо описывает ситуацию. Вероятно вы слышали советы опытных пловцов: если начало засасывать в водоворот — бороться с потоком бесполезно. Начнешь грести против течения, только устанешь и все равно засосет. Наоборот, нужно устремиться вместе с потоком воды, набрать скорость и, чуть отвернув, по касательный буквально вынестись наружу.
Как выбираться из водоворота
И у вращающейся черной дыры похожая штука. Иногда даже говорят, что пространство–время как бы втекает в черную дыру. Такая аналогия помогает в визуализации, но нужно быть осторожным. То есть не нужно думать, что черная дыра натуральным образом пожирает пространство–время, иначе могут начаться вопросы — а если оставить Вселенную на долгое время, что, черные дыры все наше пространство–время пожрут, раз оно в них постоянно втекает?
Естественно, ничего никуда не втекает. Пространство–время настолько искривлено и закручено в непосредственной близости к вращающейся черной дыре, что у падающего тела просто нет другого пути, кроме как следовать изгибам водоворота. В какую сторону ни лети, все равно вынесет к горизонту событий, как будто натуральный поток воды мешает двигаться в каком–то ином направлении. Хотя еще раз четко укажу, не стоит понимать данную аналогию, как натуральный водопад пространства–времени, само по себе оно никуда не течет.
Увлечение пространства времени вращающейся черной дырой
Так вот, если находясь в правильной точке дать хороший реактивный импульс в правильном направлении (например включить ракетные двигатели на полную мощность под нужным углом к завихрению), из–под внешнего горизонта событий вращающейся черной дыры вполне можно выбраться. Мало того даже двигатель как таковой, не нужен. Достаточно разделить падающий в черную дыру предмет на две части. Одна часть продолжит падать в черную дыру, а вторая по закону сохранения импульса будет вытолкнута наружу.
А теперь самое интересное. Если провести расчеты и найти оптимальный угол, массу и прочие параметры, окажется, что импульс (масса умноженная на скорость) вылетающего из–под внешнего горизонта событий обломка получается выше импульса влетевшего в него первоначального предмета. То есть, не смотря на то, что объект разделился на две части и каждая часть меньше целого, скорость вылетающего куска становится настолько высокой, что импульс оказывается больше первоначального.
Что несколько подозрительно. Абзацем выше я упоминал закон сохранения импульса, а тут договорился до того, что впрямую нарушаю его. Естественно, на однородность пространства покушаться никто не собирался, Нётер не велит, и общее количество движения системы не изменяется. Своим хитрым маневром мы крадем энергию вращения черной дыры, и после подобного трюка она начинает вращаться чуточку медленней. Но где масса нашей ракеты и где масса черной дыры, нужно же сопоставлять! Для черной дыры это все блошиные укусы, а нам — существенная польза. Например, этот эффект использовали в фильме Интерстеллар, когда главный герой решил ценой своей жизни спасти любимую, они полетели в черную дыру, а потом часть корабля с Мэттью МакКонахи провалилась под горизонт событий, а другую часть с Энн Хэтэуэй выбросило наружу. Кто же знал, что в итоге МакКонахи попадет в книжный шкаф своей дочери, а «сила любви окажется выше сил гравитации»?
Фантазии Кристофера Нолана
Но не будем о грустном. Гравитация вещь бессердечная, любовью не победить, раз у нее сердца нет. Вы лучше задумайтесь. Ведь только что я привел вам идею вечного дармового двигателя! Находим вращающуюся черную дыру (а по нашим представлениям они все подряд вращающиеся, во Вселенной вообще все вращается вокруг себя и друг друга, почему так — отдельный вопрос, придется поверить мне на слово), кидаем в нее «разделяющуюся болванку», одна ее часть падает в черную дыру, вторая вылетает назад с гораздо большим импульсом (и энергией), чем первоначальные. Теперь осталось поймать этот кусок и извлечь из него дополнительную энергию. Заставим его толкать какие–нибудь «лопасти турбины» или нагревать воду, как в атомных электростанциях, или неважно что. Главное — бесплатная энергия нахаляву.
Схема генератора Пенроуза
Причем, вы бы знали, какая это энергия! Наверняка слышали, что хотя атомный взрыв это очень–очень–очень много тепла и света, в реальности энергетический выброс составляет лишь около 0. 1% от вступающей в ядерную реакцию массы. У термоядерного взрыва КПД повыше, где–то около 1% изначальной массы водорода переходит в лучистую энергию. За счет этого процента светит Солнце и существует вся жизнь на планете Земля. А максимум, что можно выжать из формулы E=mc2, это полная аннигиляция вещества с антивеществом, тут можно получить выход 100% массы в виде энергии.
Максимальный теоретический КПД процесса бросания болванки во вращающуюся черную дыру около 21%. То есть если мы скинули в черную дыру тонну железа (или чего угодно, хоть мусора, хоть токсичных отходов), назад мы получим чуть меньший кусок того же железа, плюс энергию, эквивалентную аннигиляции 210 килограммов вещества. Вот это я понимаю — завод по переработке вторсырья!
Первым расчеты по извлечению энергии из вращающейся черной дыры провел Роджер Пенроуз в работе 1971 года, потому данная статья и озаглавлена «Генератор Пенроуза на пальцах™».
Теперь дело за малым. Научиться создавать миниатюрные черные дыры и паковать их в некое подобие аккумуляторов, и вот вам — движок получше термоядерного реактора на борту DeLorean–а из «Назад в будущее II»!
Фантазии Роберта Земекиса
Вообще, вращающиеся черные дыры Керра гораздо более интересные объекты, чем невращающиеся Шварцшильда. Хоть и ужасно более сложные в расчетах. Зато и дополнительных, взламывающих воображение эффектов, они порождают неизмеримо большее количество. Например, существует т.н. принцип космической цензуры того же самого Пенроуза.
Что происходит в сингулярности? Мы не знаем, есть лишь подозрение, что это место, в котором природа научилась делить на ноль, иными словами, «в матрице происходит сбой», и все перестает работать, но природа благоразумно научилась прятать свои ошибки от чересчур пытливых исследователей. Вокруг любой сингулярности всегда находится непроницаемый горизонт событий, и мы никогда не узнаем, что происходит в сингулярности, потому что природа закрылась от нас этим самым горизонтом, умело заметая свои косяки под ковер реальности.
Однако, как я написал выше, если черная дыра вращается, данный горизонт событий начинает растягивать в стороны и сплющивать сверху и снизу. Земля точно так же приплюснута с полюсов. И Солнце, и вообще любой вращающейся во Вселенной предмет. И чем выше скорость вращения, тем больше вращающийся предмет раскатывается в блин (см. например спиральные галактики). Теоретически можно рассчитать такую скорость вращения, при которой горизонт событий расплющит в тончайший диск, и если подлететь к такой черной дыре «сверху» (со стороны ее северного полюса), то появляется шанс взглянуть сингулярности прямо в лицо. Такое явление называют голая сингулярность, и пока непонятно, возможно ли подобное в принципе, или нет.
С одной стороны, в природе подобные голые сингулярности встречаться не должны, уж больно высокие скорости вращения требуются. Но ведь мы не природа, мы разумные гуманоиды! Если предположить «обратный генератор Пенроуза», и вместо того, чтобы черпать энергию из черной дыры, начать ее методично подкармливать, попутно раскручивая все быстрее, возможно мы сможем получить голую сингулярность? Или такую черную дыру разорвет от собственного вращения? С другой стороны, как ее может разорвать, там же сингулярность, там же скорость света! Непонятно. ..
Не говоря уже о том, что сама сингулярность во вращающейся черной дыре тоже перестает быть математической точкой, и вытягивается в структуру, чем–то похожую на кольцо или тор. И это только начало странностей. Закрученное в спираль пространство–время — это не шутки, а открытый простор для заморочек и парадоксов всех мастей.
Короче говоря — хватит морозиться в метрике Шварцшильда, любите и изучайте вращающиеся черные дыры, они гораздо интересней!
Черная дыра: первое изображение монстра Млечного Пути
Опубликовано
Это видео не может быть воспроизведено в вашем видео-браузере, вам нужно включить JavaScript.
Заголовок в СМИ,
Зири Юнси: «Мы нежно называем это пончиком в сотрудничестве»
Джонатан Амос
Корреспондент BBC Science
@BBCAmos
Это гигантская черная дыра, которая живет в центре нашей черной дыры. галактика, изображенная впервые.
Известный как Стрелец A*, этот объект в четыре миллиона раз превышает массу нашего Солнца.
То, что вы видите, представляет собой центральную темную область, где находится дыра, окруженную светом, исходящим от перегретого газа, ускоренного огромными гравитационными силами.
Диаметр кольца около 60 миллионов километров (40 миллионов миль).
Для сравнения: Меркурий, самая внутренняя планета Солнечной системы, вращается на расстоянии примерно от 40 до 70 миллионов километров от Солнца (или от 25 до 45 миллионов миль).
К счастью, это чудовище далеко-далеко, примерно в 26 000 световых лет от нас, так что нам не грозит опасность.
Изображение было создано международной командой Event Horizon Telescope (EHT).
Это их второе такое изображение после публикации в 2019 году изображения гигантской черной дыры в центре другой галактики под названием Мессье 87 или M87. Этот объект был более чем в тысячу раз больше и в 6,5 миллиардов раз больше массы нашего Солнца.
«Но это новое изображение особенное, потому что это наша сверхмассивная черная дыра », — сказал профессор Хейно Фальке, один из европейских пионеров проекта EHT.
«Это у нас на заднем дворе, и если вы хотите понять черные дыры и то, как они работают, это то, что вам расскажет, потому что мы видим это в мельчайших деталях», — немецко-голландский ученый из Университета Радбауд в Неймегене. рассказал Би-би-си.
- M87: опубликовано первое в истории изображение черной дыры
- Историческая черная дыра совершает шимми
- Закрученный джет наблюдается у сверхмассивной черной дыры
Что такое черная дыра?
- Черная дыра — это область пространства, где материя коллапсирует сама в себя
- Гравитационное притяжение настолько сильно, что ничто, даже свет, не может ускользнуть
- Черные дыры появятся в результате взрывного распада некоторых крупных звезд
- Но некоторые действительно огромны и в миллиарды раз превышают массу нашего Солнца
- Как образовались эти монстры, найденные в центрах галактик, неизвестно
- Но ясно, что они заряжают галактику энергией и будут влиять на ее эволюцию.
Это технический шедевр. Должно быть.
На расстоянии 26 000 световых лет от Земли Стрелец A*, или сокращенно Sgr A*, представляет собой крошечную точку на небе. Чтобы различить такую цель, требуется невероятное разрешение.
Хитрость EHT заключается в методе, называемом интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI).
По сути, он объединяет сеть из восьми широко разнесенных радиоантенн, чтобы имитировать телескоп размером с нашу планету.
Масса черной дыры определяет размер ее аккреционного диска или эмиссионного кольца . Дыра живет в центральной депрессии яркости . Его «поверхность» называется горизонтом событий , границей, внутри которой даже световой луч искривлен в пространстве-времени. Более яркие области в аккреционном диске — это места, где свет набирает энергию по мере своего движения к нам, и говорят, что это с доплеровским усилением
Такое расположение позволяет EHT снимать на небе угол, измеряемый в угловых микросекундах. Члены команды EHT говорят об остроте зрения, похожей на возможность увидеть бублик на поверхности Луны.
Даже в этом случае для создания изображения из нескольких петабайт (1 ПБ равен одному миллиону гигабайт) собранных данных потребуются атомные часы, интеллектуальные алгоритмы и бесчисленные часы суперкомпьютеров.
То, как черная дыра изгибается, или линзы, свет означает, что нечего видеть, кроме «тени», но блеск материи, кричащей вокруг этой тьмы и растекающейся в круг, известный как аккреционный диск, выдает, где объект есть.
Если вы сравните новое изображение с предыдущим изображением M87, вы можете задаться вопросом, в чем отличие. Но есть ключевые отличия.
«Поскольку Стрелец A* намного меньше черной дыры — она примерно в тысячу раз меньше, — ее кольцевая структура меняется в масштабах времени, которые в тысячу раз быстрее», — объяснил член команды доктор Зири Юнси из Университетского колледжа Лондона, Великобритания. «Это очень динамично. «Горячие точки», которые вы видите на ринге, перемещаются изо дня в день».
Это видео невозможно воспроизвести
Чтобы воспроизвести это видео, вам необходимо включить JavaScript в вашем браузере.
Медиа-заголовок,
Моделирование показывает, как черная дыра может выглядеть вблизи (в радиосвете) нашу галактику и наблюдать за происходящим глазами, чувствительными к радиочастотам.
Перегретый возбужденный газ — или плазма — в кольце движется вокруг черной дыры со скоростью, составляющей значительную долю скорости света (300 000 км/с, или около 1
миль в секунду). Более яркие области, вероятно, являются местами, где материал движется к нам и где его световое излучение активизируется или, как следствие, «доплеровское усиление».
Эти быстрые изменения в окрестностях Sgr A* являются одной из причин того, что для получения изображения потребовалось гораздо больше времени, чем для M87. Интерпретация данных оказалась более сложной задачей.
Телескопические наблюдения за обеими черными дырами фактически были получены в один и тот же период в начале 2017 года, но M87, при ее большем размере и удаленности в 55 миллионов световых лет, по сравнению с ней выглядит статичной.
Ученые уже начали развертывание измерений на новом изображении, чтобы проверить физику, которую мы в настоящее время используем для описания черных дыр. Пока то, что они видят, полностью согласуется с уравнениями, изложенными Эйнштейном в его теории гравитации, общей теории относительности.
Несколько десятилетий мы подозревали, что в центре галактики живет сверхмассивная черная дыра. Что еще может создавать гравитационные силы, которые ускоряют близлежащие звезды в космосе со скоростью до 24 000 км/с (для сравнения, наше Солнце скользит по галактике со скоростью 230 км/с, или 140 миль в секунду)?
Но, что интересно, когда в 2020 году Нобелевский комитет удостоил астрономов Райнхарда Генцеля и Андреа Гез премии по физике за их работу над Sgr A*, в цитате говорилось только о «сверхмассивном компактном объекте». Это было пространство для маневра на случай, если объяснением окажется какое-то другое экзотическое явление.
Однако сейчас сомнений быть не может.
Источник изображения, ESO/S.Gillessen et al
Подпись к изображению,
Звезды, вращающиеся вокруг Стрельца A*, движутся с невероятной скоростью
В августе этого года новый суперкосмический телескоп Джеймс Уэбб обратит внимание на Sgr A*. У обсерватории стоимостью 10 миллиардов долларов не будет разрешения для прямого изображения черной дыры и ее аккреционного кольца, но она предоставит новые возможности для изучения окружающей среды вокруг черной дыры с помощью своих невероятно чувствительных инфракрасных инструментов.
Астрономы будут изучать в беспрецедентных деталях поведение и физику сотен звезд, вращающихся вокруг черной дыры. Они даже будут искать, есть ли в этом регионе черные дыры размером со звезду, и искать доказательства концентрированных сгустков невидимой или темной материи.
«Каждый раз, когда мы получаем новое оборудование, которое может сделать более четкое изображение Вселенной, мы делаем все возможное, чтобы обучить его на галактическом центре, и мы неизбежно узнаем что-то фантастическое», — сказала доктор Джессика Лу, доцент из Калифорнийский университет, Беркли, США, который возглавит кампанию Уэбба.
- Космический телескоп Джеймса Уэбба на последнем этапе
- Машина стоимостью 10 миллиардов долларов в поисках конца тьмы
Источник изображения, НАСА
Подпись к изображению,
Работа: Телескоп Джеймса Уэбба будет изучать окружающую среду вокруг Sgr A*
Результаты коллаборации EHT публикуются в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters.
Появилось первое изображение черной дыры в центре нашей Галактики
ИРА ФЛАТОУ: Это журнал Science Friday. Я Айра Флатов.
Прошло три года с тех пор, как первая в истории фотография черной дыры потрясла научный мир — гиганта, обнаруженного в галактике под названием M87, масса которого более чем в 8 миллиардов раз превышает массу Солнца. Но подождите, потому что мир астрофизики снова гудит на этой неделе, когда мы впервые увидели черную дыру в центре нашей собственной галактики, Млечного Пути. Да, на этот раз это личное, с потрясающим изображением в форме пончика того, что называется Звездой Стрельца.
Если вы посмотрите на созвездие Стрельца, вы его точно не увидите, но будете знать, что оно там есть. И здесь, чтобы поделиться с нами своим волнением, доктор Ферьял Озел, профессор физики Аризонского университета и член команды Event Verizon Telescope.
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Привет, Ира. Так приятно быть здесь.
ИРА ФЛАТОУ: Рада видеть вас. Теперь расскажите нам, почему вы и ваши коллеги так взволнованы получением изображения черной дыры в центре нашей галактики. Я имею в виду, что в последний раз, когда мы говорили с вами, это было около трех лет назад — это было о том первом снимке черной дыры M87. Так почему это так отличается?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Это правда. Сначала мы говорили о M87, и это было несколько лет назад. И, очевидно, тем временем мы усердно работали над изображением Стрельца A Star. Ну, на самом деле есть два ответа на этот вопрос. Один эмоциональный, это наша черная дыра. Он находится в центре нашей галактики Млечный Путь. Так что познакомиться с ним очень интересно.
Но вторая причина, по которой мы взволнованы, заключается в том, что это тоже пончик. И вы можете сказать, ну разве это не скучно? Но нет, собственно, того, что две очень разные черные дыры, та самая М87 и та, что в Млечном Пути, разные по массе, разные по активности, разные по многим параметрам, имеют одинаковые особенности изображения. Когда мы приближаемся к горизонту черной дыры и фиксируем точку невозврата, тот факт, что они выглядят похожими, чрезвычайно захватывающий.
ИРА ФЛАТОВ: И Ферьял, я смотрю на это совершенно новое изображение и вижу то же, как вы говорите, яркий пончик, который мы видели на последнем изображении черной дыры, вокруг темной тени посередине, черной части. . Но вокруг колец есть три вида очень ярких пятен. Например, если вы думаете о часах, это как 1 час, 5 часов, 9 часов. Это звучит правильно? И почему там эти светлые области?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Когда мы смотрим на окружающую среду черных дыр и пишем коды для моделирования физики вокруг нее на суперкомпьютерах, эти типы функций появляются в наших симуляциях. Это может быть, например, усиленная магнитным полем область, которая выглядит ярче, или это может быть что-то еще в турбулентности, из-за которой одно пятно выглядит ярче другого. Так же, как образуются облака, например, на небе, иногда в одном месте, иногда в другом.
Однако, сказав это, определенные особенности, которые мы видим на нашем изображении, вероятно, являются артефактами недостающей информации и того, как мы их заполняем. И, в частности, эти более яркие пятна на изображении имеют тенденцию выстраиваться в направлении, где у нас больше всего телескопов. Поэтому, хотя с теоретической точки зрения естественно ожидать этого, мы не уверены, что именно это мы видим на этих картинках.
ИРА ФЛАТОУ: Давайте поговорим о том, что мы видим на самом деле. Мы видим это яркое изображение этого ярко-оранжевого пончика, но мы не видим здесь видимого света, не так ли? Изображение собиралось не так. Собрал ее не световой телескоп, а целая сеть радиотелескопов.
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Верно, Ира. Типы черных дыр, которые мы ищем, в окрестностях Земли, наша черная дыра, Звезда Стрельца А, а также одна, M87, излучают большую часть своего света в радиоволнах, а также немного света в рентген. На самом деле они довольно тусклые, даже тусклее, чем в радио, в оптических длинах волн, к которым чувствительны наши глаза.
Таким образом, для целей Event Verizon Telescope мы наблюдаем на частоте 230 гигагерц. Это все еще радиочастота. Это выше, чем, например, то, что мы используем для наших мобильных телефонов, но это радиочастота, и мы собираем ее с помощью радиотелескопов, чувствительных к этой частоте. А затем мы объединяем информацию, которую мы получаем, в части — в случае сегодняшней звезды Стрельца А — восьми телескопов по всему миру, одновременно смотрящих на источник, чтобы синтезировать это изображение.
ИРА ФЛАТОУ: Расскажите нам, почему в центре нашей галактики есть черная дыра. И это, наверное, норма для многих галактик?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Отличный вопрос. Кажется, это норма почти для каждой галактики, на которую мы смотрим. Все, что хотя бы значительно, как Млечный Путь, как M87, кажется, является ключевой особенностью того, как раннее звездообразование и образование галактик приводят к формированию этих массивных гигантов, которые затем оседают в центре этих галактик и взаимодействуют с ними. это на протяжении всей жизни. Я имею в виду, что на протяжении всей космической истории, довольно рано, зародыши черных дыр, кажется, формируются. А затем, в зависимости от того, сколько газа доступно в их окружении, они либо проходят периоды, когда они быстро растут и выглядят как квазары, либо проходят периоды, когда они довольно неподвижны, например, едят очень мало, как Звезда Стрельца.
Похоже, это динамическая взаимосвязь между галактикой и ее сверхмассивной черной дырой в центре.
ИРА ФЛАТОУ: Это отличный способ описать это. И с точки зрения описания этой черной дыры, подтверждает ли она имеющиеся у нас теории о черных дырах или опровергает наши представления о черных дырах?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Он делает и то, и другое. Что касается гравитации вокруг черных дыр, описанной общей теорией относительности Эйнштейна, которую мы продолжаем пытаться взломать, мы думаем, что это не может быть полной теорией; он должен уступить в каком-то месте — мы все еще находим, что он подходит. Наши предсказания идеально соответствуют нашим наблюдениям. Или наоборот – наши наблюдения подтверждают предсказания, когда речь идет об этих гравитационных эффектах.
Но вы можете представить себе черную дыру состоящей из двух частей: ее гравитации и плазмы вокруг нее, которая вращается вокруг нее. И это также имеет свои проблемы и нерешенные вопросы физики и астрофизики. И когда дело доходит до этих аспектов окружения черных дыр, этих экстремальных условий, мы обнаружили, что наши теории хорошо предсказывают некоторые общие черты, но они предсказывают слишком большую изменчивость.
Если вы думаете, например, об океанских волнах, у них есть частота, которая определяется гравитацией Земли, а затем есть амплитуда. Это могут быть однофутовые волны или 30-футовые волны. И наши симуляции в окружении звезды Стрельца А говорили нам, что вещи должны двигаться быстро, и они должны больше походить на 30-футовые волны. И мы обнаруживаем, что временная шкала правильная — они движутся быстро — но это больше похоже на двухфутовые волны. Так что, вероятно, нам не хватает этой физики.
ИРА ФЛАТОУ: Теперь, когда вы посмотрите на эту картинку — или теперь, когда она у нас есть — говорит ли она нам, вращается ли черная дыра или нет?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Отличный вопрос. Мы получаем первые намеки на то, что это может быть. И мы получаем это из нескольких разных вещей. Во-первых, когда мы проводим этот тест общей теории относительности, сравнивая массу и предсказанный размер горизонта, который мы получаем от звезд, вращающихся вокруг нашего галактического центра, с изображением, которое мы получаем от Телескопа горизонта событий, единственная реальная неопределенность там это вращение черной дыры. Это оказывает небольшое влияние на размер тени. И мы обнаруживаем, что модели, в которых черная дыра вращается, лучше согласуются, чем модели, в которых черная дыра не вращается, только с точки зрения размера тени.
Это очень небольшой эффект, так что я бы не претендовал на какую-либо уверенность в этом результате. Но это всего лишь намек на то, что они лучше согласуются, когда черная дыра вращается.
ИРА ФЛАТОУ: Говоря о сравнении черных дыр, я имею в виду, что на одном из изображений, которые мы видели на старом изображении M87, была струя, верно…
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Верно.
ИРА ФЛАТОУ: – дорабатываю. Но у этого нет струи. Как они сказали на пресс-конференции, его, похоже, нет. Почему у М87 такой, а у этого нет?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Ну, это сложный вопрос. Что-то в том, как магнитные поля организуются в потоке вокруг черной дыры, должно быть ответственно за запуск мощных джетов в некоторых случаях, таких как M87. Мы пытались получить намеки на то, может ли где-то скрываться струя, даже маленькая, и до сих пор не обнаружили ни одной. Таким образом, с этой точки зрения M87 и Стрелец A Star отличаются настолько, насколько могут отличаться черные дыры.
Мы точно не знаем, что запускает эти самолеты. Но одно из наших волнений сегодня, когда мы поделились изображением Sag A Star, заключалось в том, что пончик находится там, в сердце, даже когда в больших масштабах две черные дыры могут вести себя совершенно по-разному.
ИРА ФЛАТОУ: Телескоп Event Verizon собирал эти данные в то же время, когда наблюдал за первой черной дырой, но почему на создание этого изображения ушло на три года больше?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Это заняло больше времени по нескольким причинам. Один из них — COVID. Я имею в виду, это просто немного замедлило ход событий. Вторая причина заключается в том, что Sag A Star на самом деле оказалась более сложной средой. Мы смотрим сквозь диск нашей галактики, сквозь газовые облака в этом диске, рукава галактики, на наш галактический центр. И это рассеивает свет, который мы получаем в наши телескопы. Я имею в виду, что он рассеивает свет, излучаемый источником, на пути к нашим телескопам. Итак, есть некоторые исправления, которые нам нужны.
А еще потому, что это черная дыра меньшей массы. Вы спросите, как объект массой 4 миллиона солнечных может быть маленьким? Но M87 составляет 6 миллиардов солнечных масс. Таким образом, вокруг M87 все происходит медленнее, чем в Sag A Star. Материал, близкий к горизонту, может обойти его за считанные минуты. Таким образом, наши методы нужно было улучшить, и нам нужно было понять дополнительное размытие, которое вызывает это движение, и действительно провести дополнительные тесты, как из-за рассеяния в галактике, так и из-за движения газа вокруг черной дыры, чтобы сделать уверены, что есть надежные функции, такие как этот пончик, которым мы доверяем.
ИРА ФЛАТОУ: Это «Научная пятница» от WNYC Studios.
Если вы только присоединились к нам, мы беседуем с астрофизиком Ферьялом Озелем о потрясающем новом снимке нашей собственной черной дыры в центре Млечного Пути.
И была ультразвуковая обработка, превращающая изображение, собранное EHT, в звук. Я хочу сыграть отрывок из этого и попросить вас рассказать нам, что мы слышим.
[ЗВУКИ]
Что это? Это почти похоже на волны на берегу.
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Да, да? Волны, будь то звуковые волны или волны света, к которым чувствительны наши телескопы, имеют очень похожие свойства. Таким образом, мы можем получить некоторые свойства изображения, как мы видим его в волнах, изменяющихся во времени, и превратить его в амплитуду звуковых волн. И, надеюсь, в будущем, когда мы будем наблюдать на разных частотах, возможно, мы даже сможем комбинировать разные частоты звука, чтобы действительно получить более полную картину того, что мы слышим в той среде, если бы мы могли это слышать.
ИРА ФЛАТОУ: Это объявление заставляет меня задуматься об открытии LIGO слияния черных дыр и гравитационных волн. Когда у нас было то первое объявление, оно было очень ожидаемым. Затем у нас был второй, где мы не были уверены, чего ожидать, но это как бы помогло проверить первое. И теперь мы получаем результаты довольно часто, но мы больше не говорим о них. Они не уникальны. Как вы думаете, произойдет ли это с Event Verizon Telescope — мы будем просто фотографировать черные дыры слева и справа, и это станет обычным явлением?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Надеюсь. Я имею в виду, что тот факт, что LIGO публикует свои новые наборы данных — и, конечно, ученые говорят об этом, но мы не говорим об этом так широко, как мы говорим об их первых двух объявлениях или объявлениях Event Verizon Telescope — означает что они действительно превратились в астрофизическую обсерваторию, где мы занимаемся своими повседневными делами — о, да, есть еще один источник. Какова его масса? Каковы его свойства?
Так что можно только надеяться, что с будущими наблюдениями и всеми алгоритмами, которые у нас сейчас есть в банке, мы сможем проводить эти наблюдения чаще. Может быть, первый фильм будет — если мы когда-нибудь его получим, и источники будут вести себя так, как мы надеемся —
ИРА ФЛАТОУ: Ага. Ага.
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: – может быть, это будут большие новости. Но помимо этого, мы хотели бы просто штамповать результаты, которые люди будут такие: «ОК, ОК, спасибо». Еще один.
ИРА ФЛАТОУ: Вы говорите, что изучаете черные дыры уже 20 лет. Когда вы посмотрите на Млечный Путь ясной летней ночью, теперь, когда вы увидели нашу черную дыру в центре Млечного Пути, вы почувствуете себя немного по-другому?
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Думаю, да. Быть частью этой галактики и иметь возможность видеть ее при ясном небе — уже прекрасное чувство. Но теперь мы такие, знаете что? На расстоянии 26 000 световых лет от нас есть черная дыра, и мы сфотографировали ее, и я знаю, где вы находитесь. Я надеюсь, что наши слушатели тоже могут почувствовать это, глядя в ночное небо.
ИРА ФЛАТОУ: Надеюсь, они тоже. И я хочу поблагодарить вас. И поздравляю вас с объявлением, и всех ваших коллег и людей, которые помогли. Я знаю, что их было много.
ФЕРЯЛ ОЗЕЛ: Спасибо, конечно. Я просто хочу еще раз подчеркнуть, что мне посчастливилось поделиться этим, но это большая команда, огромные усилия в течение длительного периода времени. И мы действительно ценим вклад каждого.