Как найти черную дыру в космосе

Что такое черная дыра

Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.

Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.

Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.

Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.

Черные дыры как область пространства-времени

Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.

С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.

Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.

В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.

Как обнаружить черную дыру

В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.

Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.

Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.

Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.

В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.

Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.

Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.

Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.

Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.

Как сфотографировать черную дыру

Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.

То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.

По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.

Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.

Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности (ОТО), созданной Альбертом Эйнштейном. Эта теория рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени. В 1915 году Карл Шварцшильд сделал из уравнений ОТО удивительный вывод. Допустим, что существует объект невообразимой плотности: при массе Земли он будет иметь радиус порядка одного сантиметра, а при массе Солнца — несколько километров. Тогда тяготение этого сверхплотного монстра свернет вокруг него пространство-время. В этой искривленной геометрии прямые линии, по которым движутся лучи света, превратятся в замкнутые кольца. По ним свет и будет путешествовать, никогда не добираясь до удаленного наблюдателя. Вот почему ничто, даже свет, не сможет вырваться наружу из этого кокона.

Но откуда возьмется этот аттракцион невиданной плотности? Какая сила может сжать звезду до размера в несколько километров? Черные дыры долго казались абсурдом, теоретическим курьезом. Скепсис по их поводу выражал и сам Эйнштейн.

Однако в 1930-1960-хх гг. теоретики доказали, что черные дыры могут возникать при взрыве самых массивных звезд (массой более 30 солнц). В конце жизни такое светило взрывается как сверхновая. При этом внешние слои звезды улетают в космос, а ядро стремительно сжимается и превращается в черную дыру. 

Пламя над бездной

Пока теоретики искали черные дыры в дебрях своих выкладок, наблюдатели совершенно неожиданно нашли их в космосе. Удивительно, но всепоглощающие невидимки оказались светильниками космического масштаба.

Дело в том, что у черной дыры «короткие руки». Поверхность, из-под которой не может вырваться никто и ничто, имеет вполне конкретный радиус. Измеренный в километрах, он равен утроенной массе черной дыры, измеренной в массах Солнца. Все, что находится дальше, может со временем упасть в черную дыру, но может и ускользнуть. А уж свет и другое излучение ускользает с легкостью.

В центрах галактик есть сверхмассивные черные дыры массой от миллионов до десятков миллиардов солнц. Некоторые из них окружены плотным облаком вещества, которое они с удовольствием поглощают. Потоки материи, кружащие над черной дырой, но еще не пересекшие «границу невозврата», сталкиваются друг с другом и разогреваются трением до огромных температур. Раскаленный газ ярко светится в рентгеновском, а иногда и в других диапазонах. В результате светимость некоторых черных дыр достигает сотен триллионов солнц, превращая их в мощнейшие источники излучения во Вселенной.

Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик были открыты в 1960-х гг. Правда, осторожные ученые далеко не сразу признали, что это именно черные дыры, а не какие-то другие тела. Окончательные доказательства были получены уже в этом столетии. В 2008 году Райнхард Генцель и Андреа Гез доказали, что объект в центре нашей собственной Галактики может быть только черной дырой (за что и получили Нобелевскую премию по физике 2020 года, вместе с теоретиком Роджером Пенроузом). А в 2019 году коллаборация «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) исследовала центральную черную дыру галактики M87. Тогда астрономы впервые в истории получили настолько детальное изображение (в радиоволнах), что разглядели саму черную дыру, а не просто падающее на нее вещество.

Сегодня наблюдателям известны миллионы сверхмассивных черных дыр, открытые благодаря их излучению. Но считается, что в центре практически каждой крупной галактики (а их в видимой Вселенной сотни миллиардов) есть собственный сверхмассивный монстр, просто большинство из них уже исчерпало запасы вещества и перестало светиться. Правда, до сих пор не вполне понятно, как образуются такие громадины. 

Танцы со звездами

А как же черные дыры, которые получаются из ядер массивных звезд? Они тоже испускают рентгеновские лучи, если поглощают материю. Вот только эти крошки редко могут похвастаться королевской трапезой. Черная дыра звездной массы может устроить себе пир, только медленно поглощая звезду-спутник. Если этот светило-компаньон располагается слишком близко, мощная гравитация черной дыры буквально растягивает его, делая похожим не на шар, а на картофелину, и отрывает его вещество по кусочку.

Сами по себе звездные пары — явление заурядное. Но они редко бывают настолько тесными, чтобы черная дыра получила шанс на каннибальский обед. Вот почему наблюдателям-«рентгенологам» известно лишь несколько десятков черных дыр звездной массы, хотя первая из них была найдена еще в 1970-х. Теоретически же в одном только Млечном Пути должны быть сотни миллионов черных дыр, возникших из взорвавшихся звезд.

Есть и еще один способ находить черные дыры звездной массы благодаря их спутникам. Он не требует, чтобы черная дыра пожирала своего компаньона. Нужно лишь внимательно следить за движением звезды. Так можно зафиксировать, что светило обращается вокруг чего-то невидимого, и вычислить массу невидимки. Если последняя тяжелее трех солнц, она может быть только черной дырой: для нейтронной звезды это слишком большая масса, а обычная звезда светилась бы.

Потенциально таким способом можно обнаружить множество космических невидимок. Но он требует уж очень тщательных наблюдений, поэтому пока подарил нам лишь несколько черных дыр. Кстати, совсем недавно ученые впервые применили его к объекту за пределами Галактики. Они обнаружили черную дыру массой 9–13 солнц в Большом Магеллановом Облаке — галактике-спутнике Млечного Пути. Правда, для этого потребовалось два с лишним года наблюдений на VLT, самом большом оптическом телескопе в мире. Ранее черные дыры звездной массы за пределами Млечного Пути находили только благодаря рентгеновскому излучению или гравитационным волнам.

Сотрясение пространства и времени

Кстати, о последних. Гравитационная волна — это искажение пространства-времени. Она меняет само расстояние между точками пространства. Но не надейтесь, оседлав волну, сократить путь до работы: эти колебания невероятно малы. Теоретически гравитационная волна возникает всегда, когда физическое тело движется с ускорением, даже если это падающее на пол перышко. На практике же даже самые чувствительные современные детекторы различают гравитационное «эхо» лишь таких космических катаклизмов, как столкновения черных дыр или нейтронных звезд. Немудрено: под действием этого «гравитационного цунами» даже километровые расстояния меняются меньше чем на радиус протона! Установки, фиксирующие подобные колебания — настоящее чудо инженерного искусства.

Первый «сезон охоты» на гравитационные волны, принесший какие-то результаты, состоялся в 2015-2016 гг. Он проводился с помощью американского детектора LIGO (стоившего, кстати, $365 млн). Тогда физики зафиксировали три столкновения черных дыр. После этого детектор остановили, чтобы повысить его чувствительность. И не зря: во втором сезоне (2016–2017 гг) было зафиксировано уже семь столкновений черных дыр и одно столкновение нейтронных звезд. Отметим, что с этого сезона к LIGO присоединился европейский детектор VIRGO. Но ученые не остановились на достигнутом и снова модернизировали установки. В результате сезон 3a (апрель–сентябрь 2019 года) принес уже 44 события, то есть они регистрировались чаще, чем раз в неделю. И совсем недавно исследователи подвели итоги сезона 3b (ноябрь 2019-го – март 2020 гг.). Зафиксировано 35 событий, в том числе первые столкновения черных дыр с нейтронными звездами. О 18 из этих 35 «космических ДТП» ученые ранее сообщали по горячим следам, а об остальных 17 они отчитались впервые. К слову, ближе к концу этого сезона к поискам присоединился третий и пока последний детектор — японский KAGRA.

Таким образом, на сегодня зафиксировано около 90 столкновений черных дыр друг с другом или (гораздо реже) с нейтронными звездами. Для каждой отдельной галактики это чрезвычайно редкое событие. Но детекторы обозревают пространство на сотни миллионов световых лет, и в их поле зрения попадает множество галактик.

Борис Штерн
«Троицкий вариант — Наука» №8(277), 23 апреля 2019 года

Возможно, еще никогда размытая и невразумительная на первый взгляд картинка не вызывала такого воодушевления, как 10 апреля 2019 года. Это изображение обошло все уважающие себя СМИ, заполонило социальные сети, стало героем фотошопа, попало на футболки и успело поднадоесть. На картинке — первое в истории изображение реальной черной дыры — сверхмассивной дыры в центре галактики М87. Изображение плохое, но настоящее.

Астрофизический контекст

Сверхмассивная черная дыра в М87 издавна знаменита своим оптическим (наблюдаемым в видимом свете) джетом — релятивистской струей замагниченной плазмы. Обычно джеты видны лишь в радиодиапазоне, иногда в рентгене; оптические джеты — довольно редкое явление. Снимок на рис. 1 сделан космическим телескопом «Хаббл», но джет виден и в гораздо менее мощные наземные телескопы. Длина джета, точнее его проекции на небе, больше килопарсека. Джет направлен к нам, его отклонение всего 17°, то есть его настоящая длина — несколько килопарсеков. Именно из-за того, что джет направлен почти на нас, мы видим лишь один джет, поскольку второй направлен на 163° от нас, притом что оба они релятивистские с сильнейшей релятивистской аберрацией. Исходя из эффекта, который джет оказывает на межзвездную среду, оценивается его мощность: она составляет от 10⁴⁴ до 10⁴⁵ эрг/с. Первое из этих значений совпадает с полной светимостью нашей Галактики. (Здесь используются традиционные в астрофизике единицы системы СГС; для ориентации: светимость Солнца — 4×10³³ эрг/с.)

Зато светимость диска (аккреционный диск — вещество, стягивающееся в черную дыру и разогревающееся до огромных температур) относительно невелика. Среди квазаров есть монстры, чей диск излучает 10⁴⁷ эрг/с. Этот светит не более 10⁴² эрг/с, на порядки уступая джету в мощности. Дело в том, что этот диск очень неэффективно высвечивается: большая часть его энергии прямиком уносится в черную дыру. Такой режим аккреции называется ADAF (Advection dominated accretion flow) — это квазар на голодном пайке. Потока стягивающегося к дыре вещества не хватает, чтобы диск стал плотным и пришел в термодинамическое равновесие. Аккреционный диск получается оптически тонким, зато геометрически толстым из-за больших хаотических скоростей протонов и ядер. В ADAF частицы сталкиваются редко; ионы летают сами по себе с кеплеровскими скоростями, электроны — сами по себе, причем температура электронов в десятки раз ниже, чем у ионов. Светят именно электроны, мы видим их синхротронное излучение. А основная энергия уносится ионами внутрь черной дыры.

Что можно рассмотреть у черной дыры

Черные дыры, оставшиеся от одиночных звезд, имеют максимальный угловой размер около 10⁻¹⁵ радиана. Под таким углом видна самая мелкая земная бактерия с Луны. К счастью, размер черной дыры пропорционален массе (а не корню кубическому из нее, как для обычных тел), поэтому гигантские черные дыры, сидящие в центрах галактик и всосавшие массу миллионов и миллиардов звезд, гораздо перспективней. Рекордсмены по угловому размеру — сверхмассивная черная дыра (около 6 млрд солнечных масс) в сравнительно близкой к нам галактике М87 (55 млн световых лет) и черная дыра в центре нашей Галактики — в тысячу с лишним раз меньше (4 млн солнечных масс), но и в две тысячи раз ближе. Угловой размер этих дыр намного больше — приблизительно 10⁻¹⁰: под таким углом будет виден шарик для пинг-понга на Луне или человеческий волос в толщину с расстояния 500 км. В астрофизике принято измерять угловой размер в угловых секундах — это 1/3600 градуса, или 0,5×10⁻⁵ радиана. В данном случае более адекватными единицами будут угловые микросекунды. Расстояние до М87 — 16,4 мегапарсек, или 5×10²⁵ см. Вот ключевые параметры черной дыры (даем основные размеры в угловых микросекундах).

1. Гравитационный радиус черной дыры в М87 (R_g) приблизительно равен 10¹⁵см (в три с лишним раза больше радиуса орбиты Нептуна). Он определяется через массу М, гравитационную постоянную G и скорость света как R_g = GM/c². Угловой размер — 4 микросекунды.
2. Шварцшильдовский радиус невращающейся черной дыры (радиус горизонта событий, из которого наружу не доходит никакой сигнал), вдвое больше: R_s = 2R_g (8 микросекунд).
3. Последняя стабильная орбита радиуса: R_o = 6R_g (24 микросекунды).
4. Радиус фотонной сферы: R_ph = 3R_g. Фотон, пролетающий мимо черной дыры по касательной ближе, чем R_ph, попадет в черную дыру; пролетающий дальше — улетит по кривой на бесконечность; летящий точно на расстоянии R_ph — будет циркулировать вокруг дыры по круговой орбите.

Радиус тени черной дыры: R_a = 5,2R_g. Тень — не что иное, как линзированная фотонная сфера (см. рис. 2). Угловой размер — 20 микросекунд.

Что из вышеперечисленного мы можем увидеть? Прежде всего мы должны видеть аккреционный диск. В случае М87 мы наблюдаем этот диск почти плашмя. Но как при этом проявится сама черная дыра? Она наверняка вращается. Значит, ее горизонт меньше шварцшильдовского и ближе к R_g. Размер слишком мал, и, главное, горизонт никак не обозначается фотонами, покинувшими окрестность черной дыры. Те, что родились около него, за малым исключением, заглатываются дырой. Последняя стабильная орбита для вращающейся черной дыры приближается к горизонту и сливается с ним для случая предельного вращения. В этом случае практически все фотоны, испущенные с последней стабильной орбиты, попадают в черную дыру, и мы их не видим.

Зато мы можем увидеть контур тени черной дыры — яркое кольцо по ее окружности. Это, конечно, не фотоны, летающие вокруг дыры, — такие орбиты неустойчивы. Яркое кольцо — каустика, нечто вроде светлых полос на дне при небольшом волнении. Траектории многих фотонов, в том числе с обратной стороны аккреционного диска, с точки зрения удаленного наблюдателя, собираются в узкое кольцо (см. рис. 2). А внутри этого кольца должно быть относительно темно. Относительно, потому что внутри фотонной сферы мы можем видеть фотоны, испущенные веществом в сторону от черной дыры, их траектории изгибаются и попадают к наблюдателю. При этом яркость излучения, испущенного внутри фотонной сферы, сильно подавлена. Итак, имеем яркое кольцо с темной областью внутри и плавно спадающей наружу яркостью, поскольку светимость диска падает при удалении от черной дыры.

Техника наблюдений

Существует так называемый дифракционный предел углового разрешения λ/D, где λ — длина волны, D — апертура: диаметр зеркала телескопа или база интерферометра. Для крупнейших оптических телескопов дифракционный предел — около 10 миллисекунд. Для традиционных радиоинтерферометров со сверхдлинной базой, работающих на длине волны несколько сантиметров, дифракционный предел — около миллисекунды: ограничение дает диаметр Земли. У «Радиоастрона», одна из антенн которого находится в космосе, разрешение примерно в 30 раз лучше, но большая длина волны не позволяет увидеть происходящее вблизи черной дыры: пространство вокруг нее заполнено электронами больших энергий, поглощающих радиоволны (синхротронное самопоглощение). С помощью «Радиоастрона» провели исследование ядра М87 и ровно это и увидели: непрозрачную фотосферу, скрывающую черную дыру и внутренние части аккреционного диска. Зато на длине волны около миллиметра синхротронное поглощение падает на порядки величины — электроны излучают, но почти не поглощают.

Проект EHT (Event Horizon Telescope) — интерферометр из нескольких радиотелескопов, находящихся в разных частях земного шара. Они все работают в миллиметровом диапазоне, исследование ядра М87 велось на длине волны 1,3 мм. Дифракционный предел при такой длине волны и базе размером с диаметр Земли — около 20 угловых микросекунд. Такой же, как радиус тени черной дыры в М87.

При таком соотношении разрешения и размеров объекта в радиоинтерферометрии удается получать вполне вразумительные изображения. В случае простой геометрии объекта — даже лучше: например, положение точечного объекта фиксируется с точностью в 20–30 раз выше дифракционного предела.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой радикально отличается от обычной интерферометрии тем, что она цифровая, а не аналоговая. Грубо говоря, записывается временной профиль сигнала со всех антенн с частотой, равной удвоенной ширине полосы принимаемого сигнала. Это, конечно, много меньше, чем 230 гигагерц, но всё равно очень большая частота, поэтому первичные данные составляют около двух петабайт. Потом ищутся задержки, при которых профили сигналов с разных антенн коррелируют друг с другом. По задержкам, исходя из пространственного положения антенн, определяется направление прихода фронта волны. По совокупности задержек строится карта объекта.

На словах это выглядит просто, но на самом деле задержки между любой парой антенн всё время меняются: причиной тому вращение Земли, тепловая деформация, приливы и т. п. Самое неприятное — непредсказуемая турбулентность атмосферы, из-за которой фаза принимаемого сигнала «гуляет». Все предсказуемые факторы входят в модель задержки, которую легко учесть, но случайные факторы ломают когерентное накопление сигнала менее чем за 20 секунд, после чего надо искать корреляцию по новой и «эмпирически» сшивать фазу. Процедура, конечно, непростая: требуемый объем данных огромен, сам поиск корреляций потребляет огромные вычислительные ресурсы, к тому же восстановление карты по корреляциям — некорректно определенная задача. Тем не менее в большинстве случаев эта задача корректно решается, к тому же карта при большом отношении сигнал / шум получается четче полуширины диаграммы направленности. Все эти сложности увеличиваются с уменьшением длины волны. В частности, на длине волны 6 см время когерентного накопления сигнала составляет не 20 секунд, а 10 минут. Соответственно, на большей длине волны требуется меньшая скорость накопления данных. Именно поэтому интерферометрия на миллиметровой длине волны стала возможной лишь в этом столетии.

Кстати, еще до объединения антенн миллиметрового диапазона в сеть EHT главный узел этой сети — интерферометр ALMA, состоящий из десятков антенн, получил потрясающие снимки протопланетных дисков (см. рис. 3).

Результаты и их интерпретация

Измерения ядра М87 с помощью EHT проводились четыре ночи: 5, 6, 10 и 11 апреля 2017 года. Результаты представлены в шести объемных статьях, опубликованных в Astrophysical Journal Letters и собранных здесь. Основную картинку, представленную на рис. 4, наверняка все уже видели, приводим отдельные снимки по дням (рис. 5).

Заметны небольшие изменения в распределении яркости вдоль по светлому кольцу. Это естественно: постоянная времени изменений на радиусе фотонного кольца (около световых суток) — дни. Мы видим, как дышат некие неоднородности в аккреционном диске. Бросается в глаза разная яркость верхней и нижней части кольца. Это объясняется тем, что мы наблюдаем аккреционный диск не точно плашмя, а под небольшим наклоном. Диск перпендикулярен джету. В координатах картинки джет направлен вправо. Диск вращается по часовой стрелке, поэтому нижняя часть кольца приближается к нам, а верхняя удаляется. Этого достаточно, чтобы релятивистская аберрация давала заметную разницу в яркости.

Значительная часть опубликованных статей посвящена моделированию аккреции на черную дыру с высвечиванием вещества и прослеживанием испущенных фотонов. Это довольно сложная задача, поскольку требуется трехмерная магнитогидродинамика в релятивистской метрике. Тем не менее — решают и смотрят, похоже на наблюдаемую картину или нет. Пример сравнения модели с реальностью показан на рис. 6. Конечно, не все модели дают результат, похожий на правду. Поэтому удается отбросить некоторые варианты физики аккреционного диска. Например, не проходит предположение об одинаковой температуре ионов и электронов. Не проходит предположение о невращающейся черной дыре, хотя измерить параметр вращения не удается: проходит как значение а = 0,94, так и значение а = 0,5. Удалось исключить неоднозначность в оценке массы черной дыры. До сих пор существовали две противоречащие друг другу оценки: 6 млрд солнечных масс — по разбросу скоростей звезд и 3,5 млрд солнечных масс — по движению газа. Из размера «бублика» и сравнения его с результатами моделирования получается оценка 6,5 млрд солнечных масс, согласующаяся с первой из приведенных выше.

Значение результата и перспективы

Многие рассматривают основной результат EHT как прямое подтверждение существования черных дыр. Это так, но это не первое и не самое сильное подтверждение. Гравитационные волны от слияния черных дыр — сильней. Но снимок тени черной дыры наглядней и понятней для широких масс. Это очень важно, поскольку деньги на исследования в конечном счете дают именно широкие массы. С моей точки зрения, интересней данные об аккреционном диске. Это совершенно фантастическое явление, гораздо более сложное, чем черная дыра.

То, что сделали, еще не предел. Методику можно вылизывать, набирать статистику. Будут более четкие изображения, будут видны изменения аккреционного диска со временем — там масса интересной астрофизической информации.

И еще одна очень важная перспектива — черная дыра в центре нашей Галактики, радиоисточник Стрелец А. Ее угловой размер немного больше; ориентация, по-видимому, другая, менее благоприятная для наблюдения тени, но более интересная с точки зрения эффектов линзирования и физики аккреционного диска.

Наконец, более далекая перспектива — радикальное увеличение базы интерферометра за счет космического миллиметрового телескопа. Именно этой задаче посвящен проект «Миллиметрон», разрабатываемый в Астрокосмическом центре ФИАНа, — наследник «Радиоастрона».

Автор благодарит Юрия Ковалева за ряд уточнений.

Исследователи Европейской южной обсерватории обнаружили ближайшую к Земле чёрную дыру, пишет Astronomy & Astrophysics. Сообщается, что она расположена в тысяче световых лет от нас (по космическим меркам, это не слишком большое расстояние), в созвездии Телескоп. Напомним, его можно наблюдать в небе Южного полушария Земли. По словам учёных, там находится двойная звёздная система HR 6819, которую довольно легко увидеть даже невооружённым глазом.

Недавно астрономы в деталях рассмотрели её с помощью телескопа, установленного в обсерватории «Ла-Силья» в Чили. Выяснилось, что на самом деле это не двойная, а тройная звезда: в этой системе прячется невидимый объект массой примерно в четыре Солнца, и он влияет на движение компаньонов своей гравитацией. По данным наблюдений, одна из звёзд расположена довольно близко к нему — они вращаются вокруг общего центра масс, совершая полный оборот каждые сорок дней. Другая звезда находится намного дальше.

Как отметили астрофизики, самой чёрной дыре удаётся так успешно скрываться от глаз наблюдателя благодаря тому, что она внешне никак не взаимодействует с окружающей средой — её можно было заметить исключительно по силе её притяжения. Теперь учёные подозревают, что на самом деле таких невидимок в космосе превеликое множество, просто мы о них пока ничего не знаем. На сегодняшний день науке известно лишь о нескольких десятках чёрных дыр. А между тем за 13 миллиардов лет существования нашей галактики Млечный Путь сотни миллионов звёзд должны были закончить свою «жизнь» именно так — превратившись в чёрную дыру. При этом далеко не все они могут иметь партнёров, взаимодействие с которыми помогало бы их обнаружить.