Фото что внутри черной дыры: Черные дыры в космосе их фотографии

совсем не фотография и не совсем черной дыры

Согласно опросам детей в школах и людей, которые приходят на научно-популярные мероприятия, наиболее частой темой, которая их интересует, являются черные дыры. Неудивительно, что фотография черной дыры всполошила мировую общественность весной прошлого года — событие сразу же записали в историческое и важное в мировом масштабе. Публикуем конспект лекции астрофизика Юрия Ковалева, прошедшей в рамках фестиваля Pint of Science, в которой он рассказывает, чем на самом деле является упомянутая фотография и что она значит для науки.

Юрий Ковалев

Руководитель лаборатории в Физическом институте им. П.Н. Лебедева и Московском физико-техническом институте, лауреат премий имени Ф.А. Бредихина и Вильгельма Бесселя, член-корреспондент РАН

Самостоятельно сделать снимок черной дыры может каждый: для этого нужно купить стаут,❓Темный элевый сорт пива, приготовленный с использованием жженого солода. желательно, чтобы пена была не очень объемная и долго держалась, налить его в бокал, засунуть палец по центру бокала, быстро вынуть, сфотографировать. В результате у вас должна получиться прекрасная фотография черной дыры (только палец вынимайте быстрее) — ученым же для этого потребовалась пара десятков лет.

Что такое черная дыра

Начнем с теории. Мы знаем, что объекту, например человеку или ракете, для того чтобы покинуть планету Земля и улететь, скажем, на Марс, нужно стартовать с поверхности со второй космической скоростью, которую очень легко посчитать по формуле V2 = 2GM/R. То есть все, что нам нужно знать для расчетов, это массу (M) и радиус объекта (R), не забудем уточнить в справочнике и величину гравитационной постоянной (G). Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с.

Черная дыра — это объект, вторая космическая скорость которого равна или больше скорости света, это настолько массивный и компактный объект, что с него ничто не может улететь, включая фотоны, частицы света

Ученые уже сто лет пытаются проверить общую теорию относительности Эйнштейна и, в частности, постулаты, лежащие в ее основе. Один из них, который знают абсолютно все, это постулат о скорости света, согласно которому скорость света в вакууме — это максимальная скорость, которую можно достичь в нашей Вселенной. Так что, если у вас есть объект, достаточно массивный и достаточно компактный, он будет черной дырой. Почему черной? Потому что, напоминаю, с него ничего не может улететь, в том числе свет, который в норме показал бы черную дыру во всей красе.

Чтобы узнать размер черной дыры, можно использовать формулу второй космической скорости, заменив V2 на c2 (скорость света в квадрате). Размер черной дыры Rg определяет горизонт событий. Он находится на расстоянии от центра, где вторая космическая скорость равна скорости света, — это расстояние называется гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда, и вычисляется по формуле Rg=2GM/с2.

Чтобы вы представили себе, насколько это большие объекты, давайте сделаем черную дыру из чего-то знакомого, например из Земли. Если мы сожмем Землю, гравитационный радиус для черной дыры, которую мы из нее сделали, будет равен 9 миллиметрам. Если мы сожмем Солнце, сделав из него черную дыру, черная дыра с массой как наше Солнце будет иметь диаметр 6 километров. Под этими тремя километрами гравитационного радиуса ничего нельзя будет увидеть.

Расположение черных дыр

Ученые считают, что массивные черные дыры находятся в центрах других далеких галактик, а также в центре нашей Галактики. Вокруг центра активной галактики располагается диск из пыли и газа, и из внутренних областей этого диска вещество «падает» на черную дыру, в центр. При этом около 10% этого вещества выбрасывается наружу в виде узких горячих джетов. Вместе с веществом на центральную сверхмассивную черную дыру также «падает» и магнитное поле, которое накапливается в «пружину». Электромагнитная пружина в состоянии вытолкнуть наружу материю и даже ускорить ее до скоростей, очень близких к скорости света. Из этих разогнанных струй астрономы могут наблюдать излучение электронов.

Как сделали фотографию черной дыры

Из школьного курса физической оптики мы знаем, что мельчайшие детали, которые любое одиночное оптическое или радиозеркало может различить на небе (самый мелкий масштаб), определяют следующей формулой — λ / D (длина волны наблюдения, разделенная на диаметр зеркала). Но поскольку в радиоастрономии работают с длинными волнами, что бы радиоастрономы ни наблюдали на небе с телескопом, для них все выглядит как точка.

Тем не менее более полувека назад советские радиоастрономы Леонид Матвеенко, Николай Кардашев и Геннадий Шоломицкий презентовали идею, которая называется радиоинтерферометр со сверхдлинной базой. Они предложили собрать вместе много радиотелескопов, расставить их в разных уголках планеты Земля — или даже запустить в космос — и использовать как единую систему. При этом уже упомянутая ранее формула будет выглядеть не как λ / D, а как длина волны, разделенная на расстояние между телескопами: λ / B! Фактически при использовании интерферометра у такой системы образуется высочайшее угловое разрешение, самое высокое в астрономии.

Оптический космический телескоп «Хаббл» имеет угловое разрешение 50 миллисекунд дуги, а изображение тени черной дыры имеет размер в тысячу раз меньше, чем возможности «Хаббла»! Что-то подобное можно сделать и с инфракрасными телескопами, правда, есть сложность в синхронизации, поэтому в инфракрасном диапазоне эту технологию пока не удается довести до желаемого уровня чувствительности.

Тем не менее все мы пользуемся услугами интерферометров ежедневно. В частности, с помощью радиоинтерферометров можно использовать галактики, которые находятся очень далеко, как реперные точки, своего рода гвозди, прибитые к небу, относительно которых можно измерять координаты на Земле. Например, определять параметры вращения Земли и то, как в результате нутации двигается по небу ось вращения планеты. Эта информация необходима для работы систем глобального позиционирования ГЛОНАСС, GPS, и измерения проводятся практически каждый день.

Интерферометру можно придать больше разрешающей силы, уменьшив длину волны λ. Наши коллеги, для того чтобы получить изображение тени черной дыры, уменьшили длину волны наблюдений до 1,3 мм. На коротких длинах волн плазма, которая окружает черную дыру в центрах галактик, становится более прозрачной, и благодаря этому ученые могут разглядеть, что происходит в центре. Чтобы получить такую возможность, ученые работали долгие годы, и в результате угловое разрешение системы оказалось достаточным, чтобы увидеть на изображении тень черной дыры.

О «фотографии черной дыры»

«Фотография черной дыры» представляет собой светящееся кольцо вокруг горизонта событий черной дыры, и для того чтобы его увидеть, нужно иметь экстремальное угловое разрешение. Ни один телескоп, который вы когда-либо видели в своей жизни, не в состоянии иметь настолько высокое угловое разрешение, чтобы различить мельчайшие детали таких объектов. Для этого понадобилась целая система — интерферометр.

Итак, то, что получили ученые, — это не фотография, а восстановленное сложными математическими методами по данным наблюдений интерферометра светящееся фотонное кольцо вокруг центральной черной дыры в галактике Дева А

Увидеть саму черную дыру невозможно: она черная, она поглощает весь свет, который излучается вокруг нее, поэтому мы просто видим кольцо из света, который генерирует диск материи, окружающий черную дыру. Система, получившая в результате астрономических наблюдений необходимые данные, чтобы визуализировать черную дыру, называется The Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»). Она состоит из восьми антенн, наиболее важная из которых под именем ALMA находится в Чили на высоте пяти километров над уровнем моря. Она самая большая и, соответственно, самая чувствительная.

То, что измеряет интерферометр, — это не фотография. Это очень хитрые величины, которые позволяют ученым восстановить изображение черной дыры. Представьте, что я строитель, который создает гигантский телескоп размером с планету Земля, и все, что я сделал, — это выстроил каркас и пока не проложил по нему зеркала. Фактически каждая подобная пара телескопов позволяет мне положить на каркас несколько новых зеркал. И чем больше таких пар телескопов участвует в моей системе интерферометра, тем плотнее я заполняю каркас зеркалами и тем больше результатов измерений более высокого качества я получаю, чтобы восстановить изображение исследуемого космического объекта.

Для того чтобы улучшить качество получаемой картинки, можно применить два подхода. Первый — построить больше телескопов. Второй — вращать Землю. Ученые пока что делают акцент на втором методе, потому что Земля и так вращается — мы к этому даже сил не прикладываем, — а телескопы стоят дорого. Именно таким образом все лучше и лучше заполняется зеркалами наш пустой каркас, все качественнее и качественнее восстанавливается изображение тени черной дыры.❓Для тех, кто имеет техническое образование, поясню: интерферометр измеряет небольшие количества параметров Фурье-спектра, а астрономы восстанавливают изображения на основе ограниченного количества его измеренных гармоник.

Как визуализировали данные интерферометра

Ученые, которые занимались исследованием черной дыры, разработали разные способы восстановления ее изображения. Для проверки правильности своего результата они также придумали следующее: разделили команду внутри коллаборации «Телескопа горизонта событий» на несколько групп, которые восстанавливали изображение по полученным измерениям втайне друг от друга — разными методами и с запретом на общение между группами. Когда работа была закончена, все ученые встретились и сравнили результаты. Они увидели, что все изображения совпали с точностью выше 90%, поэтому уверенность в том, что изображения восстановлены правильно и корректно, не эмпирическая, а вполне реальная.

Почему ученые считают, что на «фото» — черная дыра? Из измерений размера тени можно оценить массу черный дыры в изучаемой галактике Дева А. Это одна из самых активных близких к нам галактик с ярко излучающим центром. Масса оказалась равна примерно 6 миллиардам масс Солнца, что совпало с независимыми оценками, которые были сделаны в течение последних 10–20 лет с помощью совсем других методов. То есть размер тени оказался строго таким, как и ожидалось. По большому счету это является, наверное, основным аргументом в пользу того, что темное пятно с ореолом — это именно тень черной дыры.

Однако интересных для нас параметров черной дыры — например, с какой скоростью она вращается или каковы характеристики диска вокруг нее, который «скармливает» в дыру пыль и газ — получить пока не удается.

О черной дыре в центре галактики Млечный Путь

Чтобы случился прорыв в нашем понимании черных дыр, необходимо исследовать черную дыру в центре нашей Галактики, потому что именно ее массу мы знаем с высокой точностью.❓В 2020 году как раз за точное измерение массы центрального компактного объекта в нашей Галактике была дана половина Нобелевской премии по физике.

Центр нашей Галактики — это созвездие Стрельца (по латыни Sagittarius), а компактный объект в центре уже самого созвездия называется Sgr A*. Вокруг него можно видеть движение звезд и измерять параметры их орбит, а дальше на помощь снова приходит школьный курс физики, а точнее, обобщенные законы Кеплера: зная параметры орбиты, период обращения движения звезды по орбите и размеры орбит, можно измерить массу черной дыры.

Что, конечно же, и было сделано, поэтому нам с высочайшей точностью известна масса черной дыры в центре Млечного Пути — речь идет о массе, соответствующей «всего» 4 миллионам масс Солнца. И это немного. Например, размер горизонта событий для Девы А (откуда получено обсуждаемое изображение) равен примерно полутора световых дней. Соответственно, размер горизонта событий для черной дыры в центре нашей Галактики должен быть в тысячу раз меньше: она маленькая, и из-за этого ореол вокруг нее постоянно меняет свой облик.

Трудность с получением изображения черной дыры в центре нашей Галактики можно сравнить с трудностями родителей, которые пытаются сфотографировать своего гиперактивного ребенка. Он постоянно вертится, его изображение меняется — то же самое происходит и в центре нашей Галактики. В дополнение к этому работает хитрый эффект рассеивания излучения, который был открыт нами недавно на «Радиоастроне». Рассеивание происходит на облаке межзвездной плазмы, которое находится посередине между Землей и центром нашей Галактики. Облако представляет собой свободные электроны в турбулентном облаке.

Сейчас между российскими, европейскими и американскими группами ученых готовится и активно обсуждается проект наземного космического интерферометра, который будет работать на миллиметровых длинах волн. С его помощью, как предполагается, удастся получить изображение тени от черной дыры в центре Млечного Пути намного быстрее. Мы рассчитываем на российский «Миллиметрон».

Что дальше? Зачем ученым черная дыра в центре Млечного пути? Мы знаем точно массу и расстояние до Sgr A*, поэтому планируем проверить общую теорию относительности Эйнштейна в сильном гравитационном поле этой черной дыры. Теория относительности проверяется уже сто лет, и пока ее предсказания соответствуют результатам всех экспериментов. Настало время развивать ее дальше.

Фотография невидимки – Наука – Коммерсантъ

Первый в истории человечества снимок черной дыры вызвал бурю эмоций не только у ученых и любителей астрономии, но даже у тех, кто не смотрел фильм «Интерстеллар». Теперь точно знаем, что дыры существуют. Но как удалось увидеть невидимое? И почему этот снимок так важен?

На фото – черная дыра

Фото: National Science Foundation via Getty Images

История

Трудно поверить, но первые расчеты, показавшие существование в космосе тяжелых невидимых объектов, сделал английский естествоиспытатель Джон Мичелл в 1783 году. Уже тогда человечеству было известно, что такое вторая космическая скорость: ее нужно достичь, чтобы полностью оторваться от какого-нибудь тела и улететь в космос. Величина второй космической скорости зависит от отношения массы и размера тела и, например, для Земли равна всего 11,2 км/сек. А еще именно тогда ученые убедились в конечности скорости света и определили ее величину (около 300 тыс. км/сек.) благодаря тому, что Джеймс Брэдли открыл явление аберрации.

Мичелл первым задумался: могут ли существовать звезды, вторая космическая скорость у которых выше скорости света? И рассчитал параметры такого тела: при той же плотности, что и у Солнца, его радиус будет превышать солнечный в 500 раз! Тогда вторая космическая превысит скорость света, и тело станет полностью невидимым для наблюдателя, ибо свет просто не сможет выйти с его поверхности. Мичелл даже предположил, что в космосе может существовать множество подобных невидимых тел, то есть предвидел черные дыры!

Независимо от него величайший французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас в «Изложении системы мира» в 1795 году выдвинул схожую гипотезу: «Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине невидимы».

Но этим идеям не удалось завоевать умы. Только после работ Альберта Эйнштейна в 1905 году стало понятно, что скорость света — предел для любых физических тел, а значит, действительно черные дыры — единственные объекты в природе, у которых вторая космическая скорость превышает скорость света.

В 1915 году Эйнштейн построил полноценную теорию гравитации, которая получила название «Общая теория относительности» (ОТО). Карл Шварцшильд применил ее к расчету гравитационных полей звезд и получил первое описание простейшей, сферически-симметричной черной дыры, без заряда и без вращения.

Но и Шварцшильд, и даже Эйнштейн считали черные дыры математической абстракцией, не надеялись обнаружить их во Вселенной.

А предсказание ОТО относительно черных дыр более чем подтвердилось.

Что это такое

Черная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, двигающиеся со скоростью света, в том числе и сам свет. То есть она не объект, не вещество, не излучение, а скорее сильно искривленное пространство с сильным гравитационным полем — следствием искривления. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом.

Представить себе горизонт событий несложно. Допустим, некто падает в черную дыру и одновременно ведет прямую трансляцию в YouTube. Пока некто остается снаружи горизонта событий, зрители его видят: электромагнитный сигнал может уйти на любое расстояние. Но в момент пересечения горизонта сигнал обязательно прервется — у него не хватит скорости выйти из-под горизонта.

Гравитационный радиус — тот размер, сжавшись до которого, обычный объект непременно станет черной дырой. Скажем, для Земли он составляет около 1 см, а для Солнца — всего 6 км. Представьте себе чудовищную плотность такого объекта!

Еще у черной дыры есть эргосфера, фотонная сфера и другие экзотические элементы. Зато нет ни цвета, ни состава.

Единственный прямой способ отличить черную дыру от другого объекта — определить ее радиус и сравнить с гравитационным радиусом для данной массы. Если радиус тела значительно больше гравитационного — это не черная дыра.

До недавнего времени разрешающая способность телескопов была слишком мала, чтобы различать столь мелкие объекты. Возьмем ближайшую к нам звезду, Солнце: его гравитационный радиус равен 3 км, с расстояния 150 млн км он выглядят как тысячные доли угловой секунды, то есть недоступен даже знаменитому космическому телескопу имени Хаббла. Что говорить про более далекие черные дыры!

Астрономы придумали массу косвенных методов проверки на черную дыру. Например, из третьего закона Кеплера известно о связи между периодами и размерами орбиты вращающихся тел с определенными массами. В центре нашей Галактики мы видим, как звезды и газ вращаются вокруг невидимого объекта. Его относительная близость, всего 26 тыс. световых лет, позволяет точно измерять параметры орбит вращающихся там звезд, что дает довольно точную оценку массы этого скрытого гиганта: 4 млн Солнц. Шила в мешке не утаишь, а звездное скопление такой огромной массы тем более было бы легко наблюдаемо. Но нет! Мы видим в этом месте лишь слабо светящееся крохотное пятнышко.

В центрах других галактик мы тоже наблюдаем вращение звезд и огромных облаков газа вокруг малюсенького центра. Вот только звезды на больших дистанциях уже неразличимы, информацию приходится черпать из спектральных наблюдений ядер галактик. Спектры показывают быстрое движение газа, которое говорит о скрытых массах в десятки и сотни миллионов солнечных масс! А наблюдения в ультрафиолете и в рентгеновских диапазонах выявляют быструю переменность блеска, что говорит о настолько малых размерах излучающей области, что миллионы Солнц в нее либо не поместятся, либо будут двигаться по неустойчивым орбитам, сталкиваясь и разлетаясь. Да и сам по себе спектр очень непохож на звездный — с быстрой переменностью блеска, мощным излучением в рентгене и гораздо более высокими температурами. А если еще учесть, что у некоторых из таких ядер галактик энерговыделение на много порядков больше, чем должны давать просто звезды аналогичной массы, то понятно, что нам следует поискать более экзотический источник этой энергии.

И тут скептики могут предпринять последний шанс спастись от черных дыр: нейтронные звезды! Эти удивительные объекты, как и черные дыры, были предсказаны задолго до их физического открытия, но ученые справедливо полагали, что увидеть их в оптический телескоп не удастся много лет.

Открыты они были совершенно неожиданно — в радиодиапазоне: сигнал от них имел настолько точную повторяемость, что его даже приняли за «маяк» внеземной цивилизации и поначалу называли LGM-1 (Little green man-1). Гипотетическое скопление нейтронных звезд с их малыми размерами — один из очень немногих объектов, который мог бы поместиться в измеренные размеры активных ядер галактик. Но откуда им там взяться? Нейтронные звезды — остатки эволюции массивных звезд, а значит, должны быть и другие следы: планетарные туманности, остатки вспышек сверхновых и характерное излучение пульсаров. Да и непонятно, почему в компактном центре должны быть миллионы нейтронных звезд, а в остальной, гораздо большей части Галактики — тысячи.

Спектры загадочных объектов показывают быстрое движение газа, находящегося глубоко в «гравитационной воронке», но признаков падения на твердую поверхность не наблюдается. То есть газ падает, падает, а потом куда-то «проваливается». Словно в черную дыру!

Последним доказательством стала регистрация гравитационных волн. Первые свидетельства их существования появились еще в 1974 году при исследовании двойных радиопульсаров (нейтронных звезд, излучающих периодические радиоимпульсы). Выявленное уменьшение периода их обращения, связанное с потерей энергии на искривление пространства, было непрямым, но надежным указанием на излучение гравитационных волн — и Нобелевскую премию 1993 года.

Почувствовать гравитационную волну впервые получилось 14 сентября 2015 года у гравитационно-волнового телескопа LIGO. С тех пор детектировано больше десятка гравитационно-волновых событий, и все, кроме одного, объясняются только сталкивающимися черными дырами.

Невидимка в зеркале

Но последний шаг еще не был сделан. Самое главное — изображение черной дыры — оставалось за пределами возможностей человека.

Важность снимка трудно переоценить. Те же гравитационные волны, сильнейшее доказательство существования черных дыр для ученых, мало что значат для широкой публики: они не фотография, а графики. На фотографии все очевидно: вот черный провал — это и есть черная дыра.

Но получить такой снимок непросто, ведь черные дыры — черные! Да еще и очень мелкие, даже самые крупные из них имеют угловой размер в миллионы раз меньше того, что способен разглядеть обычный телескоп: если точно, то это миллионные доли угловой секунды дуги. Задача по сложности сравнима с попыткой разглядеть с Земли яблоко на поверхности Луны.

Решение напрашивается: нужно большое увеличение! Хорошо, а насколько большое? Невооруженным глазом обычный человек может отличить точку с расстояния 30-40 м, а до Луны в среднем 384 тыс. км. Значит, увеличение требуется примерно в 10 млн раз. А максимальное увеличение телескопа — два диаметра объектива в миллиметрах, то есть нужно 5 млн мм, или 5 тыс.  км. Но нужно разглядеть еще и какие-то детали, так что лучше взять сразу 10 тыс. км. Это уже сравнимо с диаметром Земли!

Как сделать столь огромное зеркало? Даже если пытаться соорудить десятиметровое зеркало, придется учесть гнутие точной поверхности под действием собственного веса, особенно при поворотах телескопа. Что-то похожее чувствуют киты, когда оказываются на берегу. Выход есть: делать не цельное толстое зеркало, а составленное из отдельных тонких сегментов. Зеркало становится легким, перестает гнуться, остается лишь научиться управлять сегментами, идеально подгоняя их друг к дружке, чтобы составить прецизионную поверхность.

Это удается: вот максимальное увеличение! Но теперь мешает атмосфера — она смазывает картинку. Есть решение: дополнительное адаптивное гибкое зеркало компенсирует атмосферную неоднородность, но требует яркого источника света. Приходится исследовать атмосферу и приделать к телескопу лазер (или телескоп к лазеру?), чтобы создать высоко в атмосфере искусственную яркую «звездочку». И все-таки одиночное зеркало обладает слишком маленькой разрешающей способностью, а цельное зеркало размером с планету построить затруднительно…

Может, построить много отдельных зеркал по всей планете и объединить в систему? Такая технология называется интерферометр, и в межконтинентальном виде ее удалось создать только в радиодиапазоне.

Увидеть невозможное

Самый выдающийся радиотелескоп всех времен — отечественный космический аппарат «Радиоастрон». На нем получен мировой рекорд углового разрешения — восемь миллионных долей угловой секунды (на длине волны 1,3 см)! К сожалению, получить на нем изображение черных дыр не удалось: оказалось, что на длинах волн от одного сантиметра и больше изображение черной дыры невозможно создать из-за летающих там электронов больших энергий.

В миллиметровом диапазоне электроны влияют не так сильно и картинку получить реально. Так родилась идея телескопа горизонта событий — большого количества антенн, работающих на длине волны 1,3 мм с максимальной дистанцией между ними около 10 тыс.  км.

Остается свести воедино сигналы со всех приемников. Сделать это крайне трудно: мешают погодные условия, турбулентность атмосферы, малейшие искривления формы зеркал, технические неисправности, помехи и многое-многое другое. К тому же данных, требующихся для получения изображения, нужно гигантское количество: не гигабайты, не терабайты, а полноценные петабайты!

Именно поэтому получить картинку черной дыры стало возможным лишь в XXI веке — с появлением суперкомпьютеров, развитием математических методов обработки информации и созданием высоких технологий, без которых немыслима работа современного телескопа.

Вот она, черная дыра

Французский исследователь Шарль Мессье, впервые заметивший в 1781 году в скромный 100-миллиметровый телескоп в созвездии Девы едва видимое туманное пятнышко, и не подозревал, какие потрясающие открытия таятся в нем.

Стремительное развитие науки и техники в начале ХХ века подарило человечеству громадные телескопы диаметром больше 2 м, снабженные фотокамерами, и сразу посыпались открытия. Уже в 1918 году американский астроном Гебер Дуст Кертис, сразу обративший внимание на полное отсутствие спиральной структуры у М87, разглядел рядом с ней странный тонкий луч. А в 1922 году Эдвин Хаббл в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии детально сфотографировал этот луч и охарактеризовал Галактику как «внегалактическую шаровую туманность» и, в общем, был недалек от истины.

Гипотеза, что загадочный луч порожден черной дырой, возникла еще в ХХ веке. Подтвердить ее существование и точно взвесить дыру ученые смогли лишь в начале ХХI века. И она оказалась невероятной! Шесть с половиной миллиардов солнечных масс! Надо отметить, она под стать своей родной Галактике, масса которой в несколько раз превосходит Млечный Путь (Галактика, где находится Земля).

Именно такая, близкая к рекордной, масса черной дыры и позволила ей стать главной целью телескопа горизонта событий. Секрет в том, что у черных дыр масса и размер горизонта событий связаны линейно, то есть чем массивнее дыра, тем проще ее разглядеть. Плюс расстояние до нее по космическим меркам небольшое (всего 53 миллиона световых лет), поэтому угловой размер горизонта событий этой дыры гораздо больше всех остальных и сравним только с черной дырой в центре нашей Галактики.

Стоп, стоп, стоп. Как это, «разглядеть»? Это же черная дыра — она по умолчанию свет только поглощает, а не излучает. Как ее увидеть? Ситуацию можно сравнить с ловлей черной кошки в темной комнате: увидеть что-то трудно, но стоит ей оказаться перед белой стеной — и вот она, красавица, как на ладони. Вокруг черных дыр, особенно сверхмассивных, тоже бывают светлые области — это падающий на них разогретый газ. Когда газа много, он формирует целый диск, что-то вроде колец Сатурна, ученые называют его аккреционный диск (от английского accretion — выпадение).

На первом снимке, полученном телескопом горизонта событий, виден прежде всего аккреционный диск в виде широкого светлого кольца. Внешняя граница его нечеткая, поскольку диск простирается далеко за пределы снимка, постепенно снижая свою яркость. Зато внутренняя граница резкая, поскольку там пролегает последняя устойчивая орбита для вращающегося вокруг черной дыры вещества. Подойдя еще ближе, материя падает в черную дыру по крутой спирали настолько быстро, что эта область остается темной. Единственный свет, который еще может оттуда выходить, это так называемая фотонная сфера, то есть сравнительно тонкое и слабое кольцо, в котором пролетающие мимо фотоны захватываются на круговые орбиты гравитацией черной дыры. Получается, что черный провал внутри яркого кольца на фото — это не только сама черная дыра, а еще и довольно большая, почти несветящаяся область вокруг нее.

Для черной дыры в М87 радиус горизонта событий около 20 млрд км, то есть «диаметр» черной дыры — примерно 40 млрд км, а радиус последней устойчивой орбиты — примерно 120 млрд км. Размер темного провала на снимке близок к 100 млрд км, в тысячу раз больше расстояния от Солнца до Венеры и в три раза больше расстояния от Солнца до Нептуна.

Перспективы

Помимо черной дыры в М87, телескоп горизонта событий провел в апреле 2017 года наблюдение за центральной черной дырой Млечного Пути — ближайшей из всех известных сверхмассивных черных дыр. Аккреционный диск вокруг нее слабее, то есть увидеть ее будет сложно, но это может компенсироваться чуть большим угловым размером, чем у объекта в М87. Обработка данных продолжается.

Подключение новых наземных телескопов и усовершенствование оборудования и методов обработки приведут к тому, что изображения станут более четкими, появятся новые детали, возможно, совершенно неожиданные. Через десятилетия станет возможным вести регулярные наблюдения за несколькими сверхмассивными черными дырами и даже мониторинг некоторых из них. Видео с движением разогретого до миллионов градусов газа в гравитационных ловушках черных дыр станет таким же обычным делом, как видео вспышек на Солнце.

Грандиозный рывок в угловом разрешении произойдет, когда Россия запустит уже строящийся радиотелескоп «Миллиметрон». Работая на одной длине волны с телескопом горизонта событий и находясь на расстоянии 1,5 млн км от Земли, «Миллиметрон» обеспечит изображения на порядок более детальные, чем те, что есть сегодня. Резко расширится и список наблюдаемых объектов, и количество решаемых астрофизических задач. При удачном стечении обстоятельств станет возможным даже наблюдение черных дыр звездных масс в двойных системах сравнительно недалеко от Земли. Остается дождаться запуска: из-за нестабильного финансирования он перенесен на вторую половину 2020-х годов.

Чтобы получить изображение черной дыры, потребовалась согласованная работа радиотелескопов по всему миру

Чтобы получить изображение черной дыры, потребовалась согласованная работа радиотелескопов по всему миру

Итоги

Астрофизики считают достижение телескопа горизонта событий достойным Нобелевской премии. У человечества появился инструмент, позволяющий добывать ценнейшие данные: независимо оценивать массы сверхмассивных черных дыр, а значит, и калибровать косвенные методы оценки масс, напрямую исследовать динамику вещества в аккреционных дисках, оценивать энерговыделение и размеры дисков, наблюдать за движением неоднородностей в них и обнаруживать изменение яркости, проверять результаты теорий и расчеты гравитационного линзирования вблизи черных дыр, а бонусом — в тысячный раз подтверждать теорию относительности.

Для широкой публики нашумевший снимок прежде всего наглядное подтверждение самого существования черных дыр. Хотя профессионалы уверены в этом уже давно, но финансирование фундаментальной науки в конечном счете обеспечивается обществом, поэтому наглядная демонстрация результата имеет колоссальное значение.

Сергей Назаров, научный сотрудник Крымской астрофизической обсерватории

Новые снимки с телескопа горизонта событий не на шутку встревожили учёных

Как появляется чёрная дыра в космосе?

12 мая астрофизики проекта Event Horizon Telescope опубликовали первую в истории фотографию сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A из самого центра нашей Галактики. Стрелец A* удалён на 27 000 световых лет от Земли, а его вес в четыре миллиона раз больше массы Солнца. О чёрных дырах говорят без малого 240 лет, но долгое время к ним относились скептически. Когда Альберт Эйнштейн доказал, что скорость света — предельная величина, которую развивает физическое тело, открылись новые возможности, чёрные дыры стали доступны для понимания.

Учёные отмечают, что в этом случае двигаться нужно от противного: если в какой-то точке Вселенной сила гравитации превосходит скорость света, эту точку можно смело называть чёрной дырой. Она всё втягивает в себя, ничего не возвращая обратно, и поэтому она — дыра. А то, что она не забирает, от чего она отрывает куски, превращается в плазму, движущуюся со скоростью 99% от скорости света.

Фото © Dursun Aydemir / Anadolu Agency / Getty Images

Даже кванты света не могут покинуть пределы чёрной дыры из-за чудовищной гравитации, поэтому она и называется чёрной. Но есть и нестыковки. Грубо говоря, чёрная дыра — это «дырка от бублика», а сам «бублик», или «аккреционный диск» — насильно притянутая к ней материя. Диск вращается вокруг дыры со страшной скоростью, из-за чего и светится так, что только по нему и можно определить наличие чёрной дыры в космосе. Граница чёрной дыры — горизонт событий, её размер — гравитационный радиус. Эти характеристики зависят от типа чёрной дыры, а тип её зависит от происхождения. Как появляется чёрная дыра в космосе? На месте сколлапсировавшей звезды в сколлапсировавшей части галактики в момент начального расширения Вселенной в ядерных реакциях высоких энергий — на Земле это можно «провернуть» только в Большом адронном коллайдере. Есть малые чёрные дыры, массивные, сверхмассивные и ультрамассивные.

Космическое приключение: Зонд «Паркер» «нырнул в Солнце» и взбудоражил астрофизиков неожиданными данными

Что будет, если попасть в чёрную дыру в космосе?

Горизонт событий — это события, которые мы, наблюдатели, никогда не увидим. Они спрятаны внутри чёрной дыры. Что такое оказаться внутри горизонта событий, или в чреве чёрной дыры? Вот как писал об этом Стивен Хокинг: «Падение сквозь горизонт событий можно сравнить с катанием на каноэ у Ниагарского водопада. Если вы достаточно далеко от края, вы можете отплыть от него, если грести очень быстро. Но рядом с обрывом вам уже ничто не поможет».

Снаружи все чёрные дыры типичны, а внутрь никто и никогда забраться не сможет, да если и сможет, то человек либо превратится в спагетти, либо «с точки зрения внешнего мира исчезнет навсегда». Всё зависит от её массы.

Очень странные дела: Давно покинувшие Солнечную систему «Вояджеры» внезапно вышли на связь и встревожили учёных новыми данными

Сколько чёрных дыр в космосе

В Млечном Пути пока найдено 11 чёрных дыр, и среди них недавно запечатлённая сверхмассивная чёрная дыра в центре Галактики. Но это самые крупные и самые активные. На самом деле потенциально каждая из 400 млрд звёзд, находящихся в Млечном Пути, рано или поздно превратится в чёрную дыру. Во Вселенной триллионы и триллиарды чёрных дыр. Подсчитать их все затруднительно даже математическим способом.

Фото © Nicolas Economou / NurPhoto via Getty Images

Чёрная дыра Стрелец А*, находящаяся в самом центре Млечного Пути, была открыта в феврале 1974 года, аккурат ко Дню влюблённых. Это сверхмассивная дыра, образовавшаяся по одной из версий вследствие коллапса центральной части Галактики под собственным весом. По этой логике у каждой из двух триллионов галактик находится в центре сверхмассивная или ультрамассивная чёрная дыра.

К примеру, в центре галактики Holm 15A есть дыра, в 10 000 раз более массивная, чем Стрелец А*. Это как 40 000 000 000 солнц. Но и если бы наш Стрелец А*, вес которого — «всего» в четыре миллиона раз больше массы Солнца, находился не в Млечном Пути, а прямо в Солнечной системе, то он бы «засосал» в себя все планеты, звёзды, спутники, квазары, пульсары и так далее. Полный мрак.

Почему невозможно сфотографировать чёрную дыру?

Долго считалось, что сфотографировать чёрную дыру невозможно. Если придираться, то снимок Стрельца А* — фото тени, а не пульсирующей дыры как таковой. Потому что слово «фотография» переводится как светопись. А какой может быть свет там, где кванты света поглощаются? Но, если отбросить формализм в сторону, это всё-таки снимок контуров дыры, и для того, чтобы его получить, команде Event Horizon Telescope в составе 300 учёных из 80 институтов пришлось объединить работу одиннадцати гигантских телескопов, расположенных на пяти континентах. В общей сложности было собрано 3,5 петабайта данных, или 3584 терабайта.

Фото © Shutterstock

Сделать это было непросто — Стрелец расположен крайне неудобно, к тому же уровень его свечения меняется каждую минуту, а то и чаще. Только создав сложные алгоритмы обработки и собрав воедино максимальное число ракурсов, а затем смонтировав данные, на что ушли годы, учёные получили искомый снимок. Эта технология была впервые отработана на сверхмассивной звезде в центре галактики М87, снимок которой был обнародован в 2019 году. К слову, М87 и Стрелец А* — части одного проекта Event Horizon Telescope, запущенного в 2014 году.

Учёные верят в то, что это только начало. Интерес к чёрным дырам растёт с каждым днём, уровень техники совершенствуется, и, возможно, в недалёком будущем подобные снимки получится делать чаще, и они будут всё более и более качественными. Интересно, что несмотря на то, что дыры из галактики М87 и Стрелец А* — чёрные дыры абсолютно разного типа, они удивительно похожи.

— Это говорит о том, что общая теория относительности одинаково применима к этим объектам, а любые различия связаны лишь с особенностями окружающего их материала, — отметила астрофизик Сера Маркофф.

Исходя из этого, вскоре можно будет решить ряд проблем, связанных с чёрными дырами, остающихся пока что камнем преткновения. Одна из них — применима ли теория относительности, которая в целом хорошо справляется с объяснением законов Вселенной, за пределами горизонта событий, где есть ещё один горизонт — горизонт Коши, и там все представления о предсказуемой Вселенной сыплются, ввергая учёных в панику. Чтобы не сойти с ума, Роджер Пенроуз ввёл «принцип космической цензуры», согласно которому, грубо говоря, «то, от чего учёные сходят с ума и паникуют, живёт только в теоретических построениях, а Вселенная существует по уже открытым законам». То есть все противоречия нужно выводить за скобки. Состоятельность той же теории относительности, как и выкладок Хокинга, доказывается здесь и сейчас — на практике.

Космический зодиак: Новые данные телескопа «Кеплер» встревожили учёных неожиданными подробностями

Фото © Shutterstock

Чем грозит открытие сверхмассивной чёрной дыры?

Гибелью человечества

Изменением климата

Ничем, она слишком далеко

Евгений Жуков

• Статьи
• нейтронныезвезды
• Вселенная
• Наука и Технологии

Комментариев: 1

Для комментирования авторизуйтесь!

астрономов сделали самое детальное фото черной дыры — посмотрите, какие магнитные поля питают ее здесь

Два года назад астрономам впервые удалось сфотографировать черную дыру. Команда, стоящая за проектом Event Horizon Telescope , была награждена премией за прорыв, известной как Оскар науки, за свои усилия, а Музей современного искусства в Нью-Йорке приобрел изображение в виде струйного отпечатка.

Теперь те же самые астрономы сделали самую подробную на сегодняшний день фотографию черной дыры, одной из самых загадочных особенностей Вселенной, которая когда-то считалась ненаблюдаемой.

В поляризованном свете расплывчатое кольцо света на исходном изображении теперь в фокусе, с четкими линиями, закручивающимися к центру того, что кажется бездонной ямой, засасывающей все и вся в пределах досягаемости.

«Это все равно, что надеть поляризованные солнцезащитные очки в яркий солнечный день — вы вдруг можете увидеть, что происходит», — сказал астроном Шеперд Доулман из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики New York Times .

Телескоп Event Horizon был разработан для получения изображений черной дыры. На изображении виден свет вокруг границы черной дыры. Изображение предоставлено телескопом Event Horizon.

Черная дыра представляет собой поле материи настолько плотное, что даже лучи света не могут избежать ее гравитационного притяжения. Но поскольку черная дыра неумолимо втягивает газ, пыль и звезды, некоторая часть света выбрасывается наружу в виде струй энергичных частиц.

«Этот струйный процесс совершенно удивителен — что-то размером с нашу солнечную систему может выпустить струю, которая пронзает целые галактики и даже соседние галактики», — сказала IGN член команды Event Horizon Telescope Сара Иссаун.

Новое изображение показывает вихрь черной дыры и линии магнитного поля на ее внутреннем краю, иллюстрируя, как магнитное поле утоляет ненасытный голод черной дыры и питает межгалактические фейерверки, которые ее окружают.

На этом изображении показан джет в галактике M87 в поляризованном свете. Его длина составляет 6000 световых лет. Изображение предоставлено ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.

«Основной вывод состоит в том, что мы не только видим магнитные поля вблизи черной дыры, как и ожидалось, но и кажутся сильными. Наши результаты показывают, что магнитные поля могут толкать газ и сопротивляться его растяжению. Результат — интересный ключ к разгадке того, как черные дыры питаются газом и растут», — сказал Джейсон Декстер, профессор Университета Колорадо в Боулдере, Space.com.

«Сейчас мы наблюдаем очередное важное свидетельство, позволяющее понять, как ведут себя магнитные поля вокруг черных дыр и как активность в этом очень компактном регионе космоса может вызывать мощные джеты, простирающиеся далеко за пределы галактики», — сказала Моника Мосьцибродска, координатор в заявлении Рабочей группы EHT по поляриметрии.

Галактика Мессье 87 в созвездии Девы, полученная Очень Большим Телескопом Европейской южной обсерватории. Фото предоставлено Европейской южной обсерваторией.

Результаты нового изображения являются предметом трех статей, опубликованных на прошлой неделе в Astrophysical Journal Letters , две из которых были опубликованы Event Horizon Telescope Collaboration, а одна — ведущего автора Сириако Годди из Университета Радбауд в Нидерландах.

Эта черная дыра, заснятая телескопом, находится на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас, в центре Мессье 87, сверхгигантской эллиптической галактики в созвездии Девы. В 6,5 миллиардов раз больше, чем наше Солнце, оно невообразимо сверхмассивно — окружающее его круглое поле наэлектризованного газа или плазмы, запечатленное на изображении, имеет диаметр около 30 миллиардов миль, или в четыре раза больше орбиты Плутона.

Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакама (ALMA), часть проекта Event Horizon Telescope Collaboration, установлена ​​на фоне Млечного Пути. Фото Европейской южной обсерватории. Фото посла Бабака Тафреши.

Захват изображения потребовал глобальных усилий. Сотрудничество Event Horizon Telescope обеспечивается восемью наземными радиотелескопами в Чили, Мексике, Испании, Гавайях, Аризоне и Антарктике под наблюдением международной группы радиоастрономов, которые синхронизируют свои наблюдения по атомным часам. Вместе сайты, по сути, создают телескоп размером с планету.

Название проекта происходит от точки невозврата вокруг черной дыры. Ни свет, ни материя не могут выйти за горизонт событий.

Посмотрите видео о приближении к черной дыре в галактике Мессье 87 ниже.

Следите за новостями Artnet на Facebook:

Хотите быть впереди мира искусства? Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать последние новости, поучительные интервью и острые критические выводы, которые способствуют развитию беседы.

Как ученые сделали первое изображение черной дыры — обучающие моменты

Узнайте, как ученые создали виртуальный телескоп размером с Землю, чтобы получить первое изображение силуэта черной дыры.

Достигнув того, что ранее считалось невозможным, международная группа астрономов сделала снимок силуэта черной дыры.

Доказательства существования черных дыр — таинственных мест в космосе, откуда ничто, даже свет, не может ускользнуть — существуют уже довольно давно, и астрономы уже давно наблюдали влияние этих явлений на окружающую среду. В народном воображении считалось, что запечатлеть изображение черной дыры невозможно, потому что изображение чего-то, от чего не может исходить свет, будет казаться полностью черным. Перед учеными стояла задача, как с расстояния в тысячи или даже миллионы световых лет сделать снимок горячего светящегося газа, падающего в черную дыру.

Амбициозная команда международных астрономов и ученых-компьютерщиков добилась и того, и другого. Работая более десяти лет, чтобы достичь этой цели, команда улучшила существующую радиоастрономическую технику для получения изображений с высоким разрешением и использовала ее для обнаружения силуэта черной дыры, очерченного светящимся газом, окружающим ее горизонт событий, пропасть. за пределы которого свет не может выйти. Изучение этих таинственных структур может помочь учащимся понять гравитацию и динамическую природу нашей Вселенной, оттачивая при этом свои математические навыки.

Заметки о деятельности

• Как они это сделали
• Почему это важно
• Научите этому

Как они это сделали

образ предмета, столь далекого, все еще ускользал от них. Команда, сформированная для решения этой задачи, создала сеть телескопов, известную как Телескоп Горизонта Событий или EHT. Они намеревались получить изображение черной дыры, улучшив технику, позволяющую получать изображения удаленных объектов, известную как интерферометрия со сверхдлинной базой или VLBI.

Телескопы всех типов используются для наблюдения за удаленными объектами. Чем больше диаметр или апертура телескопа, тем больше его способность собирать больше света и тем выше его разрешение (или способность отображать мелкие детали). Чтобы увидеть детали в объектах, которые находятся далеко и кажутся маленькими и тусклыми с Земли, нам нужно собрать как можно больше света с очень высоким разрешением, поэтому нам нужно использовать телескоп с большой апертурой.

Вот почему метод РСДБ был необходим для получения изображения черной дыры. VLBI работает, создавая массив небольших телескопов, которые можно синхронизировать, чтобы одновременно сфокусироваться на одном и том же объекте и действовать как гигантский виртуальный телескоп. В некоторых случаях меньшие телескопы также представляют собой массив из нескольких телескопов. Этот метод использовался для отслеживания космических аппаратов и получения изображений удаленных космических радиоисточников, таких как квазары.

Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакама (ALMA) в Чили, составляющая часть массива телескопов EHT, имеет 66 высокоточных антенн. Изображение предоставлено: NRAO/AUI/NSF | + Увеличить изображение

Апертура гигантского виртуального телескопа, такого как Телескоп горизонта событий, равна расстоянию между двумя самыми удаленными станциями телескопа — для EHT эти две станции находятся на Южном полюсе и в Испании, создавая апертура, которая почти такая же, как диаметр Земли. Каждый телескоп в массиве фокусируется на цели, в данном случае на черной дыре, и собирает данные о своем местоположении на Земле, обеспечивая часть полного обзора EHT. Чем больше широко разнесенных телескопов в массиве, тем лучше разрешение изображения.

На этом видео показана глобальная сеть радиотелескопов в массиве EHT, которые проводили наблюдения черной дыры в галактике M87. Авторы и права: К. Фромм и Л. Реззолла (Университет Гете во Франкфурте)/Black Hole Cam/EHT Collaboration | Смотреть на YouTube

Чтобы протестировать VLBI для визуализации черной дыры и ряд компьютерных алгоритмов для сортировки и синхронизации данных, команда Event Horizon Telescope выбрала две цели, каждая из которых предлагает уникальные задачи.

Ближайшая к Земле сверхмассивная черная дыра, Стрелец A*, заинтересовала команду, потому что она находится на заднем дворе нашей галактики — в центре нашей галактики Млечный Путь, в 26 000 световых лет (156 квадриллионов миль) от нас. (Звездочка — это астрономический стандарт для обозначения черной дыры.) Хотя это не единственная черная дыра в нашей галактике, она кажется самой большой с Земли. Но его расположение в той же галактике, что и Земля, означало, что команде придется просматривать «загрязнение», вызванное звездами и пылью, чтобы сфотографировать его, а это означает, что при обработке изображения нужно будет отфильтровать больше данных. Тем не менее из-за локального интереса к черной дыре и относительно большого размера команда EHT выбрала Стрелец A* в качестве одной из двух своих целей.

Крупный план ядра галактики M87, полученный рентгеновской обсерваторией Чандра. Изображение предоставлено: НАСА/CXC/Университет Вилланова/Дж. Нильсен | + Увеличить изображение

На этом изображении, полученном космическим телескопом Хаббл НАСА, показана струя субатомных частиц, вылетающая из центра M87*. 30 кг. Помимо своих размеров, М87* заинтересовала ученых тем, что, в отличие от Стрельца А*, является активной черной дырой, в которую падает вещество и извергается наружу в виде струй частиц, разгоняемых до скоростей, близких к скорости света. Но его удаленность делала его еще более сложной задачей для захвата, чем относительно локальный Стрелец А*. Как описала Кэти Боуман, специалист по информатике из EHT, руководившая разработкой одного из алгоритмов, используемых для сортировки данных телескопа во время обработки исторического изображения, это сродни захвату изображения апельсина на поверхности Луны.

К 2017 году EHT представлял собой совместную работу восьми сайтов по всему миру, и с тех пор их число увеличилось. Прежде чем команда смогла начать сбор данных, им нужно было найти время, когда погода, вероятно, будет способствовать просмотру в телескоп в любом месте. В апреле 2017 года для M87* команда искала хорошую погоду, и из 10 дней, выбранных для наблюдения, целых четыре дня были ясными на всех восьми участках!

Каждый телескоп, используемый для EHT, должен был быть точно синхронизирован с другими с точностью до доли миллиметра с использованием атомных часов, синхронизированных со стандартом времени GPS. Такая степень точности позволяет EHT разрешать объекты примерно в 4000 раз лучше, чем космический телескоп Хаббла. По мере того как каждый телескоп получал данные от целевой черной дыры, оцифрованные данные и отметка времени записывались на компьютерный диск. Сбор данных в течение четырех дней по всему миру дал команде значительный объем данных для обработки. Затем записанные носители были физически перемещены в центральное место, потому что объем данных, около 5 петабайт, превышает то, что может выдержать текущая скорость интернета. В этом центральном месте данные со всех восьми мест были синхронизированы с использованием меток времени и объединены для создания составного набора изображений, раскрывающих невиданный ранее силуэт горизонта событий M87*. Команда также работает над созданием изображения Стрельца A* на основе дополнительных наблюдений, сделанных EHT.

Это увеличенное видео начинается с обзора массива телескопов ALMA в Чили и приближается к сердцу M87, демонстрируя последовательно более подробные наблюдения и завершаясь первым прямым визуальным свидетельством силуэта сверхмассивной черной дыры. Кредит: ЕСО/Л. Calçada, Оцифрованный обзор неба 2, ESA/Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., EHT Collaboration. Музыка: Никлас Фальке | Смотреть на YouTube

По мере добавления новых телескопов и учета вращения Земли разрешается большая часть изображения, и мы можем ожидать, что будущие изображения будут иметь более высокое разрешение. Но у нас может никогда не быть полной картины, как объясняет здесь Кэти Боуман (в разделе «Изображение черной дыры»).

Чтобы дополнить результаты EHT, несколько космических аппаратов НАСА участвовали в больших усилиях по наблюдению за черной дырой с использованием различных длин волн света. В рамках этих усилий космические телескопы NASA Chandra X-ray Observatory, NuSTAR и Neil Gehrels Swift Observatory – все они предназначены для обнаружения различных разновидностей рентгеновского света – обратили свой взор на черную дыру M87 вокруг нее. в то же время, что и EHT в апреле 2017 года. Космический гамма-телескоп NASA Fermi также наблюдал за изменениями в гамма-излучении от M87 * во время наблюдений EHT. Если EHT заметит изменения в структуре окружения черной дыры, данные этих миссий и других телескопов можно будет использовать, чтобы выяснить, что происходит.

Хотя наблюдения НАСА не позволили напрямую проследить историческое изображение, астрономы использовали данные со спутников Chandra и NuSTAR для измерения рентгеновской яркости джета M87*. Ученые использовали эту информацию, чтобы сравнить свои модели струи и диска вокруг черной дыры с наблюдениями EHT. Другие идеи могут прийти, поскольку исследователи продолжают изучать эти данные.

Почему это важно

Изучение таинственных структур во Вселенной дает нам представление о физике и позволяет нам проверять методы наблюдения и теории, такие как общая теория относительности Эйнштейна. Массивные объекты деформируют пространство-время вокруг себя, и хотя общая теория относительности была непосредственно доказана для объектов с меньшей массой, таких как Земля и Солнце, теория еще не была напрямую доказана для черных дыр и других областей, содержащих плотную материю. .

Одним из основных результатов проекта EHT по созданию изображений черных дыр стал более прямой расчет массы черной дыры, чем когда-либо прежде. Используя EHT, ученые смогли напрямую наблюдать и измерить радиус горизонта событий M87* или его радиус Шварцшильда, а также вычислить массу черной дыры. Эта оценка была близка к оценке, полученной с помощью метода, использующего движение звезд на орбите, что подтверждает ее как метод оценки массы.

Размер и форма черной дыры, зависящие от ее массы и вращения, можно предсказать из уравнений общей теории относительности. Общая теория относительности предсказывает, что этот силуэт будет примерно круглым, но другие теории гравитации предсказывают несколько иную форму. На изображении M87* виден круглый силуэт, что подтверждает общую теорию относительности Эйнштейна вблизи черных дыр.

Впечатление этого художника изображает быстро вращающуюся сверхмассивную черную дыру, окруженную аккреционным диском. Изображение предоставлено: ESO | + Expand image

Эти данные также дают некоторое представление о формировании и поведении структур черных дыр, таких как аккреционный диск, подающий вещество в черную дыру, и струи плазмы, исходящие из ее центра. Ученые выдвинули гипотезу о том, как формируется аккреционный диск, но до сих пор им никогда не удавалось проверить свои теории прямым наблюдением. Ученым также любопытен механизм, с помощью которого некоторые сверхмассивные черные дыры испускают огромные струи частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

Ответы на эти и другие вопросы будут получены по мере того, как EHT будет получать больше данных и синтезировать их с помощью компьютерных алгоритмов. Обязательно следите за обновлениями этого и следующего ожидаемого изображения черной дыры — собственного Стрельца A* нашего Млечного Пути.

Обновление: 12 мая 2022 г. Ученые опубликовали первое изображение Стрельца A*, полученное телескопом Event Horizon. › Узнайте больше из Teachable Moments

Teach It

Выразите энтузиазм своих учеников по поводу черных дыр, попросив их решить эти 9 задач.0132 математические задачи, соответствующие стандартам .

Моделирование взаимодействия черной дыры с помощью этого урока, ориентированного на NGSS:

Узнать больше

• Новости JPL: изображение черной дыры делает историю
• Графика: анатомия черной дыры

Space Place NASA

• Что такое черная дыра?
• Игра: Спасение черной дыры!

ТЕГИ: Черная дыра, Обучаемые моменты, Наука, Образование K-12, Учителя, Педагоги, Вселенная

• ОБ АВТОРЕ

  Ота Лутц, специалист по начальному и среднему образованию STEM, NASA/JPL Edu

  Ота Лутц — специалист начального и среднего образования STEM в Лаборатории реактивного движения НАСА. Когда она не пишет новые уроки или не преподает, она, вероятно, готовит что-то вкусное, работает волонтером в обществе или мечтает о том, куда она отправится дальше.

Первое изображение черной дыры получает поляризационное обновление, которое проливает свет на магнитные поля

После публикации первого изображения черной дыры в 2019 году астрономы получили новое поляризованное изображение черной дыры. (Изображение предоставлено коллаборацией EHT). черных дыр .

В 2019 году Event Horizon Telescope (EHT) коллаборация произвела первое в истории изображение черной дыры , которая находится в центре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от Земли. На изображении видно яркое кольцо с темным центром, которое является тенью черной дыры. Снимая это изображение, астрономы заметили значительное количество поляризованного света вокруг черной дыры. Теперь совместная работа показала новый взгляд на черную дыру, показав, как она выглядит в поляризованном свете.

Поляризованные световые волны имеют другую ориентацию и яркость по сравнению с неполяризованным светом. И точно так же, как свет поляризуется, когда он проходит через солнцезащитные очки, свет поляризуется, когда он излучается в намагниченных и горячих областях пространства.

Поскольку поляризация является признаком магнитных полей, это изображение ясно показывает, что кольцо черной дыры намагничено. Этот поляризованный взгляд «говорит нам, что излучение в кольце, скорее всего, вызвано магнитными полями, которые расположены очень близко к горизонту событий», — Моника Москибродска, координатор рабочей группы по поляриметрии EHT и доцент в Radboud Universiteit в Нидерландах. рассказал Space.com.

Связанные: Эврика! Ученые впервые сфотографировали черную дыру

Впервые астрономам удалось измерить поляризацию так близко к краю черной дыры. Этот новый вид черной дыры не только впечатляет, но и раскрывает новую информацию о мощных радиоструях, стреляющих из M87.

«На первых снимках мы показывали только интенсивность», — сказала Москибродская о первом опубликованном снимке объекта. «Теперь мы добавляем информацию о поляризации поверх исходного изображения».

«Новые поляризованные изображения знаменуют собой важные шаги на пути к большему изучению газа вблизи черной дыры и, в свою очередь, о том, как черные дыры растут и запускают струи», — Джейсон Декстер, доцент Колорадского университета в Боулдере и координатор теории EHT. Рабочая группа, сообщила Space.com по электронной почте.

Связанный: Что такое горизонт событий черной дыры (и что там происходит)?

Чтобы запечатлеть черную дыру, коллаборация использовала восемь телескопов со всего мира, объединив их возможности для создания виртуального телескопа размером с Землю (EHT).

«Радиотелескопы EHT имеют приемники, которые регистрируют сигнал неба в поляризованном свете», — сказал Space Иван Марти-Видаль, также координатор рабочей группы поляриметрии EHT и заслуженный исследователь GenT в Университете Валенсии в Испании. ком. «Эти поляризованные приемники работают так же, как поляризованные солнцезащитные очки, которые используют некоторые люди».

Показав черную дыру в M87 через поляризованный свет, команда смогла лучше рассмотреть горизонт событий объекта , также известную как «точка невозврата», потому что это точка, в которой материя может приблизиться к черной дыре, не будучи втянутой внутрь. Им также удалось лучше изучить взаимодействие с аккреционным диском объекта, которое представляет собой диск из горячего газа и другого рассеянного материала, который падает на черную дыру и закручивается вокруг нее.

Наблюдения команды и этот новый взгляд на объект в M87 углубляют понимание учеными структуры магнитных полей сразу за пределами черной дыры, поскольку остается загадкой, как из черной дыры испускаются струи, превышающие размер самой галактики. дыра в его сердце.

«Астрономы долгое время считали, что магнитные поля, переносимые горячим газом вблизи черных дыр, играют важную роль в падении газа и в запуске релятивистских струй энергичных частиц в окружающую галактику. Поляризованное изображение, которое мы видим говорит нам о структуре и силе этих магнитных полей очень близко к черной дыре в M87, откуда запускается струя», — сказал Декстер.

Похожие: Изображения: Черные дыры Вселенной

На этом изображении показана струя в галактике M87 в поляризованном свете, сделанная ALMA. Это изображение показывает структуру магнитного поля вдоль струи. (Изображение предоставлено ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.)

Но эти наблюдения не только выявили магнитные поля на краю черной дыры в M87, они также показали, что газ там очень сильно намагничивается. .

«Основной вывод состоит в том, что мы не только видим магнитные поля вблизи черной дыры, как и ожидалось, но они также кажутся сильными. Наши результаты показывают, что магнитные поля могут толкать газ и сопротивляться растяжению. Результат интересный ключ к тому, как черные дыры питаются газом и растут», — добавил Декстер.

«Мы до сих пор не знаем всех деталей того, как генерируются джеты, но мы знаем, что магнитные поля могут играть решающую роль», — сказал Марти-Видаль. В дальнейшем команда надеется продолжить наблюдения M87, сообщили они Space.com, не только в поляризации, но и «на разных длинах волн [света], чтобы построить более полную картину окружения черной дыры и исследовать [] магнитные поля. подробнее», — добавили они.

Эта работа была опубликована сегодня (24 марта) в двух статьях в The Astrophysical Journal Letters коллаборацией EHT, в которой приняли участие более 300 исследователей из организаций со всего мира. Документы можно найти здесь и здесь.

Напишите Челси Год по адресу [email protected] или подпишитесь на ее Twitter @chelsea_gohd. Следите за нами в Твиттере @Spacedotcom и на Facebook.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Челси «Фоксанна» Год присоединилась к Space.com в 2018 году и сейчас является старшим писателем, пишущим обо всем, от изменения климата до планетарной науки и пилотируемых космических полетов, как в статьях, так и в видео на камеру.