Наконец-то мы это видим: черная дыра во плоти. Сегодня астрономы показали изображение гигантской черной дыры в сердце соседней галактики Мессье 87 (M87). Результат - огненное кольцо, окружающее самую черную из теней, - является мощным подтверждением теории гравитации Альберта Эйнштейна или общей теории относительности, которая использовалась для предсказания черных дыр 80 лет назад. Это также подвиг для команды из более чем 200 ученых, которые годами трудились над созданием изображения, комбинируя сигналы восьми отдельных радиообсерваторий со всего земного шара.
«Такое ощущение, что смотришь на врата ада», - говорит Хейно Фальке из Университета Радбауд в Неймегене, Нидерланды, один из лидеров коллаборации Event Horizon Telescope (EHT), которая объявила о результатах на глобальных скоординированных пресс-конференциях. . «Это конец пространства и времени». Фальке говорит, что двухлетний процесс обработки данных и создания изображений «был самым эмоционально сложным периодом в моей жизни».
Хотя мало кто сомневался в существовании черных дыр, увидеть их - или, по крайней мере, их тень - было огромной проблемой. Черные дыры имеют настолько сильные гравитационные поля, что даже свет не может уйти, поэтому они определяются оболочкой черной безликой сферы, называемой горизонтом событий. Но дыры все же видно. Поскольку они поглощают материю, которая подбирается слишком близко, они сжимают ее в перегретый диск светящегося газа.
На снимках, сделанных командой, нижняя часть кольца кажется яркой, потому что газы там подвергаются доплеровскому ускорению и направляются к Земле. Черная дыра изгибает свет вокруг себя, создавая круглую тень. Общая теория относительности предсказывает, что тень должна быть круглой с точностью до 10%, говорит Эйвери Бродерик, член EHT и астрофизик из Университета Ватерлоо в Канаде, тогда как альтернативные теории гравитации предсказывают искаженные некруглые формы. По словам Бродерика, наблюдаемая тень по существу круглая.
Команда EHT из 13 организаций по всему миру провела наблюдения M87 * и черной дыры в центре нашего Млечного Пути, известной как Стрелец A * (Sgr A *), в течение 5 ночей в апреле 2017 года с использованием восьми радиотелескопов. которые чувствительны к длинам волн около миллиметра. На этой конкретной радиочастоте излучение может проникать сквозь дымку из пыли и газа, которая окружает центры галактик.
Но увеличение черных дыр все еще было проблемой. Черные дыры упаковывают огромное количество массы в удивительно маленькое пространство. Черная дыра в центре M87, на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас, поглотила массу 6,5 миллиардов солнц. Однако его горизонт событий составляет всего 40 миллиардов километров в поперечнике, что примерно в четыре раза больше диаметра орбиты Нептуна.
Ни один из существующих телескопов не имеет разрешения, чтобы увидеть такой далекий крошечный объект. Итак, команда EHT объединила большинство телескопов миллиметрового диапазона по всему миру и объединила их данные для создания виртуального телескопа размером с Землю с помощью процесса, называемого интерферометрией с очень длинной базой. Телескопы, которые они использовали, простирались от Гавайев до Аризоны, от Мексики до Испании и Чили до Южного полюса. «Вы можете думать о них как о посеребренных пятнах на глобальном зеркале», - говорит Шеп Доулман, руководитель проекта EHT в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс. «Затем Земля поворачивается, и мы можем заполнить изображение».
Сотрудничество ранее проводило наблюдения с меньшим количеством телескопов, но в 2017 году у них впервые появилась система, охватывающая весь земной шар, которая включала мощность Большой миллиметровой / субмиллиметровой антенной решетки Атакамы в Чили с ее 64 антеннами. Миллиметровые волны подвержены влиянию облаков, поэтому была важна хорошая погода. В апреле 2017 года боги погоды улыбнулись. «Это была одна из самых гладких частей проекта», - говорит член команды Фериал Озель из Университета Аризоны в Тусоне. «Некоторые бригады работали в смену по 16 или 18 часов, но всем им повезло», - говорит она, добавляя: «Анализировать данные было намного сложнее».
С тех пор этот процесс занял все время. Объем данных был настолько велик, что их нельзя было передать на большие компьютеры в обсерватории Haystack Массачусетского технологического института в Вестфорде и в Радиоастрономическом институте Макса Планка в Бонне, Германия. Вместо этого его нужно было записать на диск и отправить, что стало проблемой для телескопа Южного полюса. Он был заблокирован на зиму в Австралии, поэтому исследователи не смогли получить его данные почти до конца 2017 года. Всего было записано 4 петабайта, каждое из которых было отмечено с помощью атомных часов. Если бы эти данные были музыкой, записанной в формате MP3, на их воспроизведение ушло бы 8000 лет.
«Это был довольно ужасный процесс - обработать все данные», - говорит Фальке. Мощные процессоры, называемые корреляторами, сравнивают показания пар телескопов на разных расстояниях и ориентации с черными дырами. Озель сравнивает это с построением трехмерного изображения тела с компьютерной томографией, но в этом случае у них нет всех необходимых ориентаций. «Мы должны были убедиться, что мы не заполняем данные таким образом, чтобы это могло повлиять на интерпретацию», - говорит она. Моника Мосцибродзка, координатор рабочей группы EHT в Университете Радбауд, говорит, что четыре независимые группы продублировали обработку данных, чтобы устранить предвзятость. Она говорит, что результат был убедительным, потому что в течение 4 дней наблюдений за M87 * форма и размер тени были неизменными.
Команда не сообщила результатов для гиганта нашей галактики, Sgr A *. Хотя он намного ближе, чем M87 *, он примерно в 1000 раз менее массивен и с меньшим горизонтом событий. Более того, он быстрее движется по небу, что усложняет наблюдения. Доулман говорит, что в следующий раз команда обратится к сержанту А *. «Мы ничего не обещаем», - говорит он. «Но мы надеемся, что скоро доберемся до этого».
Эйнштейну не нравилась идея черных дыр. Через несколько месяцев после того, как в 1915 году он опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий физик Карл Шварцшильд предложил решение уравнений Эйнштейна, согласно которому на определенном расстоянии от бесконечно малой точки массы гравитация должна быть настолько сильной, что ничто не остановит от побега. даже свет.
Однако на протяжении десятилетий большинство физиков и астрономов считали такую идею просто математическим любопытством. Только в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер и его коллеги предсказали, что массивная звезда действительно может схлопнуться в точку.
Эта идея получила поддержку после открытия Джоселин Белл Бернелл в 1967 году пульсаров - плотных вращающихся нейтронных звезд, - которое доказало существование чрезвычайно плотных и компактных объектов. С тех пор астрономы накопили множество косвенных доказательств существования черных дыр, основанных на их гравитации. Астрономы обнаружили двойные системы, такие как Cygnus X-1, где звезда вращается вокруг невидимого, более плотного объекта, который, кажется, поглощает материал от своего звездного партнера.
Больше доказательств было получено в результате исследований Sgr A *. За последние пару десятилетий наблюдения за горсткой звезд на узких и быстрых орбитах не оставляют места для чего-либо, кроме сверхмассивной черной дыры в центре Галактики, масса которой примерно в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца.
Наиболее убедительные доказательства были получены в 2015 году, когда Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром обнаружила рябь в пространстве-времени, возникшую в результате катастрофического слияния двух черных дыр. Однако с сегодняшним объявлением астрономы наконец получили визуальные доказательства. «Я всегда хотел увидеть эту чертову штуку», - говорит Фальке.
Будущие наблюдения EHT могут пролить дополнительный свет на природу черных дыр. Команда надеется измерить спин и магнитную поляризацию черных дыр. В M87 *, более прожорливой и активной черной дыре, чем Sgr A *, команда смогла узнать о механизме, который ускоряет струи материала из полюсов черной дыры, как лучи из маяка. Сера Маркофф, член команды EHT и астрофизик-теоретик из Амстердамского университета, отмечает, что M87 * также является «активным галактическим ядром», светимость которого увеличивается и уменьшается по мере того, как оно поглощает материю. «Нам просто повезло, - говорит она. «Если бы он вспыхивал, мы могли бы увидеть что-то совсем другое, и это могло бы заблокировать тень».
Кампания команды в 2018 году в основном провалилась из-за плохой погоды. В этом году наблюдения были прекращены из-за того, что несколько телескопов не работали. Но в следующем году наблюдения должны включать новые телескопы, и они также начнут вести наблюдения на более коротких волнах, что должно давать более четкие изображения, говорит Доулман. «Мы сможем расширить это изображение этой тени до места, где она соединяется с этим самолетом».
Астрономы, не входящие в группу EHT, будут стремиться к неожиданным открытиям, которые могут указывать на теоретический прорыв. Когда его спросили о результатах команды, Ави Лоеб, директор организации Black Hole Initiative в Гарвардском университете, сказал, что больше всего удивлен отсутствием сюрпризов. Десять лет назад он помог смоделировать M87 *, и, по его словам, его изображения были очень похожи на сегодняшние EHT. Даже в этом случае, по его словам, результат команды является важной вехой. «Изображение стоит тысячи слов, а увидеть - значит поверить», - говорит он. «Итак, мы прибили карту черной дыры».
Ссылка на Оригинальную статью в журнале "Sciencе" От 10 апреля 2019 г.
https://www.sciencemag.org/news/2019/04/black-hole
