Фотография черной дыры: Фото чёрной дыры в центре галактики: как оно сделано и почему важно | Космос, Наука

Получена фотография центральной черной дыры Млечного Пути

Опубликовано 12 мая 2022 года в 16:07

21K

Like
Love
Haha
Wow
Sad
Angry

361117

Она стала второй в истории сфотографированной черной дырой. На обработку шести петабайт данных ушло пять лет.

В рамках международного проекта «Event Horizon Telescope» астрономам удалось получить снимок черной дыры Стрелец A*, расположенной в центре Млечного Пути на расстоянии примерно 27 тысяч световых лет от Земли и превосходящей по массе Солнце в 4 миллиона раз. Это первое прямое визуальное свидетельство ее присутствия в сердце нашей Галактики.

Снимок тени сверхмассивной черной дыры Стрелец А*, скрывающейся в центре Млечного Пути. Credit: Event Horizon Telescope

Существование черных дыр следует из Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, считающейся сегодня стандартной теорией гравитации, неоднократно подтвержденной экспериментально. Они представляют собой области пространства-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.

В 2019 году астрономы проекта «Event Horizon Telescope» представили первую в истории наблюдений фотографию черной дыры, а точнее ее тени, отбрасываемой на светящийся диск из перегретого газа и пыли. Знаменитый гравитационный монстр проживает в сверхгигансткой эллиптической галактике Messier 87 в 54 миллионах световых лет от нас в направлении созвездия Девы. Достигнуть успеха удалось благодаря объединению восьми радиообсерваторий по всей планете в один виртуальный телескоп «размером с Землю».

Фотография сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87. Credit: Event Horizon Telescope

Однако наиболее интригующей целью проекта «Event Horizon Telescope», старт которому был дан в 2012 году, являлось получение снимка центральной сверхмассивной черной дыры Млечного Пути.

Всего за 2017 и 2018 года было выполнено около 60 часов наблюдений, результатом которых стало примерно 10 петабайт данных, из которых более шесть петабайт содержат информацию об источнике Стрелец A*. Ученые потратили пять лет, чтобы откалибровать и перепроверить гигантский объем информации и, в итоге, преобразовать его в изображение черной дыры.

Стоит отметить, что результирующий снимок был получен путем усреднения тысяч визуализаций, созданных с использованием различных вычислительных методов и точно соответствующих данным наблюдений «Event Horizon Telescope». Он сохраняет особенности, которые чаще всего наблюдаются на различных изображениях, и подавляет те, что с наибольшей долей вероятности являются артефактами.

Сравнение размеров сверхмассивных черных дыр в галактике Messier 87 и Млечном Пути с Солнечной системой. Credit: ESO

По словам участников проекта, получить фотографию черной дыры в Млечном Пути было намного сложнее, чем в галактике Messier 87, поскольку газ, вращающийся вокруг нее, совершает полный оборот всего за пару минут, из-за чего яркость и морфология источника меняются очень быстро.

Получена первая в истории фотография черной дыры

Совершить прорыв удалось благодаря объединению в одну глобальную сеть восьми мощнейших радиотелескопов, расположенных по всей планете. В рамках международного проекта «Event Horizon Telescope» астрономам впервые за всю историю наблюдений удалось получить снимок черной дыры, а точнее ее тени, «отбрасываемой» на светящийся диск из перегретого газа и пыли. Неуловимый гравитационный монстр, красующийся на «фотографии века», проживает в сверхгигансткой эллиптической галактике Messier 87 в 54 миллионах световых лет от Земли в направлении созвездия Девы.

«Чтобы получить фотографию черной дыры максимально высокого разрешения мы объединили в одну глобальную сеть восемь мощнейших радиотелескопов, расположенных по всей планете, и направили их в центр галактики Messier 87. Это стало возможным только благодаря международному сотрудничеству и технологическому прогрессу, достигнутому в последние несколько лет», – рассказывает Лучано Реззола, профессор теоретической релятивисткой астрофизики из Франкфуртского университета им. Гете (Германия), один из участников проекта «Event Horizon Telescope».
Существование черных дыр следует из Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, считающейся сегодня стандартной теорией гравитации, неоднократно подтвержденной экспериментально. Они представляют собой области пространства-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Другими словами, все, что подойдет слишком близко черной дыре и будет затянуто за горизонт событий, уже не сможет вырваться обратно.
Однако это теория, и никогда ранее черные дыры, а точнее их тени, не наблюдались напрямую. Проблема в том, что, даже обладая огромными массами, размеры этих объектов не столь велики, чтобы современные телескопы в одиночку могли их рассмотреть с разрешением, позволяющим разделить аккреционный диск, окружающий черную дыру, и горизонт событий.
Чтобы обойти эти технические ограничения несколько лет назад был дан старт проекту «Event Horizon Telescope», целью которого является получения снимков сверхмассивных черных дыр в сердце Млечного Пути и галактики Messier 87. Почему были выбраны именно эти объекты? Все просто. Черная дыра Стрелец А* в нашей Галактике находится ближе всего к Земле, а гигантский монстр в Messier 87 удобен для наблюдений, так как, во-первых, он невероятно массивен, а, во-вторых, сама галактика удачно расположена на небе для отслеживания глобальной сетью.

«В обычной среде мы ожидаем, что свет будет двигаться по прямой. Однако с черной дырой ситуация совсем другая: обладая крайне сильной гравитацией, она отклоняет и изгибает траекторию движения света настолько, что мы фактически можем видеть то, что находится за ней. И, учитывая, что сама по себе черная дыра не излучает свет, ожидаемое изображение представляет собой яркое кольцо, состоящее из всех отклоненных ею лучей. И то, что мы увидели, отлично согласуется с моделями», – добавил Роман Голд из Франкфуртского университета им. Гете, также участник проекта «Event Horizon Telescope».
Всего за 2017 и 2018 года «массив размером с Землю» выполнил около 60 часов наблюдений, собрав в общей сложности примерно 10 петабайт данных. Ученые потратили полтора года, чтобы откалибровать и перепроверить гигантский объем информации и, в итоге, преобразовать его в изображение источника – сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87.
«Такой подвиг когда-то считался невозможным, так как черные дыры отбрасывают небольшие, трудно наблюдаемые тени. Но, разместив телескопы по всему миру для создания телескопа размером с Землю, был достигнут этот беспрецедентный результат, предвещающий новую эпоху в исследовании черных дыр и прокладывающий путь для дальнейших научных прорывов», – прокомментировали событие в Европейской южной обсерватории (ESO), чьи телескопы добавляют ощутимую мощь глобальной сети «Event Horizon Telescope».
Исследователи отмечают, что теперь у них впервые появилась возможность проверить, насколько хорошо наша физика работает в экстремальных средах, понять движение газа и радиационную среду в окрестностях черных дыр, выяснить, какие теории об этих экзотических объектах верны, а какие будут разрушены, а также получить фотографии и внимательно рассмотреть других кандидатов в черные дыры, чтобы определить, все ли они являются таковыми, или же это другие явления, «маскирующиеся» под этих гравитационных монстров.

Ученые хотят видео черных дыр после второго исторического фото

Изображение сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, гиганта, получившего название Стрелец A*, получено телескопом Event Horizon 12 мая 2022 года.
(Изображение предоставлено коллаборацией Event Horizon Telescope)

Только что обнародовав первое изображение черной дыры в центре нашей галактики, Телескоп Горизонта Событий готов сделать следующие шаги, засняв видеоролики с потоком газа, турбулентно впадающего в черную дыру.

Два изображения черных дыр, сделанные Телескопом Event Horizon (EHT) — изображение Стрельца A* в Млечном Пути и изображение черной дыры в центре галактики M87 — являются моментальными снимками. во время. Черные дыры постоянно взбалтываются, поскольку газ вращается вокруг их поверхности или горизонта событий, но неподвижные изображения на самом деле не показывают этого перемешивания.

Итак, ученые мечтают о фильмах, снятых путем многократного отображения черных дыр в течение месяцев и лет. Исследователи надеются, что такие фильмы покажут эволюцию аккреционных дисков черных дыр по мере того, как на них течет газ, и то, как магнитные поля внутри диска запутываются и закручиваются, когда они затягиваются вокруг черных дыр.

Уже были попытки снять фильм. «Мы попробовали это с данными за 2017 год», — сказала Кэти Боуман, ученый-компьютерщик из Калифорнийского технологического института, во время пресс-конференции NSF в четверг (12 мая), имея в виду серию наблюдений 2017 года, в результате которой были получены данные, лежащие в основе изображений. обеих черных дыр.

Стрелец A* на фотографиях : Первая фотография чудовищной черной дыры Млечного Пути объясняется на изображениях

«Мы разработали алгоритмы, которые позволили нам снимать фильмы, и применили их к данным», — добавила она. «Мы увидели, что, хотя там было что-то интересное, данные, которые у нас есть в настоящее время, недостаточно ограничивают этот фильм, чтобы сказать что-то, в чем мы действительно уверены».

Таким образом, ученым нужно больше данных, прежде чем можно будет снимать видео, но сбор этих данных занимает много времени, а телескопы, входящие в состав проекта EHT, должны завершить другие программы наблюдения.

Чтобы решить эту задачу, инженеры внедряют технические усовершенствования, чтобы к 2024 году астрономы EHT могли включать и выключать наблюдения. Эта возможность позволит ученым использовать свободное время на телескопах в течение длительного периода, а не наблюдательную кампанию, длящуюся неделю или две.

Винсент Фиш, астрофизик из обсерватории Стога сена Массачусетского технологического института, описывает этот подход как быстрое наблюдение. «Вы делаете свои наблюдения, а затем [телескопы] могут вернуться и заниматься другими науками в остальное время», — сказал Фиш во время пресс-конференции NSF.

Хотя эти гибкие наблюдения начнутся в 2024 году, ученым EHT потребуется несколько лет, чтобы обработать данные в фильм с использованием методов визуализации, описанных Боуманом.

Млечный Путь против M87 : На фотографиях, сделанных телескопом Event Horizon, видны две очень разные чудовищные черные дыры  

Первой кинозвездой станет черная дыра в M87, эллиптической галактике в центре скопления галактик Девы, 54,5 миллиона световых лучей. лет от Земли . Несмотря на большое расстояние, эта черная дыра на самом деле появляется на небе размером со Стрелец А*, потому что она намного больше. Газовое кольцо, изображенное вокруг Стрельца А*, может поместиться внутри орбиты Меркурий , радиус которого составляет около 36 миллионов миль (58 миллионов километров), в то время как черная дыра в M87 могла легко охватить орбиты всех планет Солнечной системы .

Огромный размер черной дыры M87 действительно помогает, когда дело доходит до создания фильмов. Поскольку Стрелец A* намного меньше, изменения происходят намного быстрее, когда газ распространяется вокруг черной дыры — слишком быстро, чтобы можно было отследить спорадические наблюдения с помощью EHT. Поскольку черная дыра M87 настолько огромна, изменения в ее газовом кольце становятся очевидными только через недели или месяцы, что позволяет снимать фильмы в более величественном темпе.

Гибкое наблюдение имеет и другие преимущества. Иногда черные дыры взрываются, разрывая на части астероид или газовое облако, подошедшее слишком близко. Наблюдение за такими вспышками требует быстрого наблюдения, чего EHT до сих пор не могла сделать, учитывая логистику, связанную с организацией времени на телескопах и установкой необходимого оборудования. Благодаря гибким наблюдениям EHT сможет отслеживать одним щелчком переключателя, если астрономы заметят вспышку в M87 или даже в Стрельце A*.

«Это очень много для того, чтобы улавливать кратковременные вспышки», — сказал Space.com Райан Хикокс, астрофизик из Дартмутского колледжа.

Несмотря на то, что нам не следует ожидать каких-либо фильмов о Стрельце A* в ближайшее время, тем временем там есть на что посмотреть. EHT уже измерил уровень поляризации в свете газового диска M87 , что говорит астрономам о силе и направлении магнитных полей, обернутых в диске, возможно, исходящих от самой черной дыры.

«Нашим следующим шагом будет создание поляризованных изображений Стрельца А*, чтобы мы могли видеть магнитные поля вблизи черной дыры и видеть, как они таскаются вокруг самой черной дыры», — Майкл Джонсон, исследователь Об этом заявил астрофизик Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики во время пресс-конференции NSF.

Еще один шаг улучшит представление EHT о черных дырах. Семь обсерваторий сотрудничали, чтобы получить изображение черной дыры M87; с добавлением телескопа Южного полюса восемь обсерваторий приняли участие в съемке Стрельца A*.

Телескоп Горизонта Событий работает с помощью интерферометрии со сверхдлинной базой — метода, который объединяет телескопы в пары. Расстояние между телескопами, которое ученые называют «базовой линией», эквивалентно апертуре обычного телескопа.

Если к проекту EHT сможет присоединиться больше телескопов, то базовые линии, соединяющие обсерватории, могут увеличиться в количестве и длине. Удлинение базовых линий увеличивает разрешение, позволяя ученым видеть более мелкие детали. Между тем, увеличение количества базовых линий увеличивает чувствительность EHT и количество углов обзора. Этот фактор проявляется на изображении Стрельца A*, которое кажется пятнистым: эти яркие пятна не являются горячими точками, а скорее отмечают области, где углы обзора большего количества пар телескопов совпали, что привело к более сильному сигналу.

Три новых телескопа были добавлены к EHT с тех пор, как были запущены изображения M87 и Стрелец A*. Это Гренландский телескоп, обсерватория IRAM NOEMA во французских Альпах и 12-метровый телескоп Китт-Пик в Аризоне. Поскольку проект Гренландского телескопа находится так далеко на севере, он может наблюдать только M87, а не Стрелец A *; с другой стороны, телескоп Южного полюса не может видеть M87. Таким образом, каждую черную дыру смогут наблюдать только 10 телескопов.

«Добавление новых станций очень поможет», сказал Хикокс.

А что насчет других черных дыр в других галактиках? К сожалению, пока нам, возможно, придется довольствоваться двумя черными дырами.

«Одна из проблем заключается в том, что на самом деле не существует черных дыр с достаточно большим горизонтом событий, проецируемым на небо, который можно легко отобразить с помощью телескопа горизонта событий», — сказал Хикокс.

Это не значит, что EHT не может их наблюдать. В сети уже наблюдались джеты некоторых активных галактик, таких как квазар 3C273 9.0006 , который находится на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет от Земли и имеет центральную черную дыру с массой около 880 миллионов солнечных.

Эти самолеты могут быть удивительно информативными, сказал Хикокс. «В этих струях есть много действительно интересных структур, которые говорят нам о том, как частицы ускоряются вокруг черной дыры и как они взаимодействуют с окружающей средой после того, как были выброшены, и как работают магнитные поля, и каков состав этих частиц. и все такое прочее, что влияет на то, как эти струи затем воздействуют на газ в очень больших масштабах вокруг их галактики», — сказал он.

Истории по теме:

Учитывая, что программа наблюдений EHT на 2020 год была отменена из-за пандемии COVID-19, можно наверстать упущенное время. Однако пауза дала ученым возможность обработать изображение Стрельца А* и разработать новые технологии и алгоритмы обработки изображений, с помощью которых можно было бы извлечь из изображений больше деталей.

Мы едва коснулись того, что могут нам рассказать эти две черные дыры. Вращаются ли они, и если да, то как быстро? Откуда берутся их магнитные поля? Потребляют ли они газ внезапными глотками или они поглощают газ более постепенно? И как они влияют на свое непосредственное окружение в своих галактиках?

С появлением изображения Стрельца A* ответы на некоторые из этих вопросов могут оказаться у нас почти под рукой.

Подпишитесь на Кита Купера в Твиттере @21stCenturySETI. Подпишитесь на нас в Twitter @ 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: community@space. com.

Кит Купер — независимый научный журналист и редактор из Соединенного Королевства, имеет степень по физике и астрофизике Манчестерского университета. Он является автором книги «Парадокс контакта: вызов нашим предположениям в поисках внеземного разума» (Bloomsbury Sigma, 2020) и написал статьи по астрономии, космосу, физике и астробиологии для множества журналов и веб-сайтов.

90 000 ученых могут открыть фотографию черной дыры 9 в нашей галактике0001

• В четверг ученые могут показать первое в истории изображение черной дыры в центре нашей галактики.
• Национальный научный фонд объявил это объявление «новаторским открытием Млечного Пути».
• Черная дыра, которая называется Стрелец А*, никогда ранее не фиксировалась в деталях.

LoadingЧто-то загружается.

Спасибо за регистрацию!

Получайте доступ к своим любимым темам в персонализированной ленте, пока вы в пути.

Ученые, которые в 2019 году сделали первое изображение черной дыры, в четверг должны сделать важное новое заявление.

Они не скажут, что обнаружили. Но после снимка первой черной дыры, которая была расположена в другой галактике, совместная работа начала работу над получением изображений сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Возможно, они покажут первое в истории изображение черной дыры в нашей галактике, которая называется Стрелец А* (произносится как А-звезда) и обладает массой в 4 миллиона солнц.

В пресс-релизе Национальный научный фонд дразнил «новаторским открытием Млечного Пути» коллаборации по поиску черных дыр, которая называется Event Horizon Telescope (EHT). По крайней мере семь исследовательских институтов по всей планете проведут одновременные пресс-конференции, чтобы объявить об открытии в четверг в 9 утра по восточному времени.

Смотрите объявление в прямом эфире во встроенном видео ниже.