Первая фотография черной дыры, полученная с помощью системы радиотелескопов Event Horizon Telescope, стала главной новостью прошлой недели.
Есть на фото — значит существует!
Фото: Event Horizon Telescope / National Science Foundation via REUTERS
Как ученые всего мира охотились за черной дырой
— Олег Юрьевич, объясните, пожалуйста, не астрономам, что такое черная дыра и что такое тень черной дыры.
— Я бы начал с того, что существование черных дыр является одним из фундаментальных предсказаний Общей теории относительности. Черная дыра представляет собой область пространства — времени, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может ее покинуть. Черные дыры создают вокруг себя очень сильное гравитационное поле, поскольку большая масса сосредоточена в очень малых размерах. Настолько сильная гравитация приводит к тому, что лучи света, движущиеся около черной дыры, могут как захватываться черной дырой, так и очень сильно отклоняться и даже двигаться по круговым орбитам. За счет этих эффектов возникает темное изображение черной дыры — так называемая тень черной дыры.
В настоящее время считается, что в центре большинства галактик имеется сверхмассивная черная дыра, с массой в миллионы и даже в миллиарды масс Солнца. Находящийся далеко наблюдатель должен «видеть» черную дыру как темное пятно на небе (на фоне ярких источников). Это пятно и называется тенью черной дыры. В случае сверхмассивных черных дыр пятно видно на фоне света от вещества, находящегося в непосредственной близости от черной дыры. Размер и форма тени зависят от свойств черной дыры и от положения наблюдателя.
— Какое значение для науки имеет фото черной дыры и оправдан ли тот шум, что поднялся в сети после его публикации?
— Значимость этого открытия для Общей теории относительности и для науки в целом сравнима с недавним открытием гравитационных волн (подробнее — см. «Огонек» № 37 за 2018 год). Есть множество других весомых свидетельств существования черных дыр, но полученное изображение тени черной дыры является прямым и наиболее убедительным доказательством их существования. Никогда ранее ученые не могли сказать, что они «видят» черную дыру.
Фотография черной дыры — это тот редкий и приятный случай, когда поднятый шум полностью соответствует научной ценности результата.
Гораздо чаще мы имеем дело с иной ситуацией: когда поднимаемый в СМИ, соцсетях и интернете шум зависит не столько от научной ценности исследования, сколько от того, как эффектно поданы его результаты. А вот в этом случае результат огромной научной работы действительно возможно подать в очень эффектном виде — в виде одной картинки.
— Что знает научный мир сегодня о черных дырах?
— Существует как огромное количество теоретических работ, описывающих свойства черных дыр с самых разных сторон, так и достаточно много убедительных наблюдательных доказательств их существования. Поскольку сейчас речь идет о наблюдательном открытии, остановлюсь на том, какие наблюдательные свидетельства существования черных дыр были у ученых до прошлой недели.
Во-первых, как я уже говорил, считается, что в центре большинства галактик имеется сверхмассивная черная дыра, с массой в миллионы и даже в миллиарды масс Солнца. Например, в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра массой в несколько миллионов масс Солнца. Это установлено по наблюдениям звезд, вращающихся вокруг центра нашей Галактики, в совокупности с оценками размеров области пространства, где этот центральный объект предполагается. Говоря простым языком: ученые видят, что звезды в центре нашей Галактики вращаются вокруг чего-то невидимого, но очень массивного, причем эта огромная масса сосредоточена в очень малых масштабах. Отсюда ученые и приходят к выводу, что это черная дыра.
Кстати, наблюдения тени сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики тоже проводились в проекте Event Horizon Telescope, но результаты пока не обнародованы. (Представленный снимок — это снимок черной дыры в галактике M87.)
Во-вторых, есть черные дыры в так называемых двойных системах — когда черная дыра звездной массы (не сверхмассивная) находится в паре с обычной звездой. В этом случае может возникнуть поток вещества с обычной звезды на черную дыру, увеличивается светимость и появляется яркий источник, который можно наблюдать. Пример такого источника — Лебедь X-1.
В-третьих, важный шаг по подтверждению существования черных дыр был сделан при недавнем открытии гравитационных волн. Полученный сигнал согласуется с тем, что он вызван слиянием двух черных дыр.
Все эти примеры были известны. Но представленный снимок черной дыры — первое прямое и наиболее убедительное на данный момент доказательство существования черных дыр.
— Способно ли эта фото изменить наши представления?
— Черные дыры описываются Общей теорией относительности. Существовали также убедительные наблюдательные свидетельства их существования (см. выше). Поэтому большинство ученых не сомневалось в существовании черных дыр. Тем не менее ученые, честности ради, часто употребляли слова не «черная дыра», а «кандидат в черную дыру». И считалось, что прямым доказательством их существования станет именно наблюдение тени черной дыры, поскольку образование тени связано с движением лучей света в непосредственной близости от черной дыры. Поэтому самый главный вывод состоит в том, что сейчас получено прямое и наиболее убедительное на данный момент доказательство существования черных дыр.
— Черные дыры — весьма далекие от Земли объекты. Почему человечество уделяет им столько внимания?
— Черная дыра — один из самых популярных объектов в астрофизике, причем как для ученых, так и для широкой публики. Объясняется это удивительными свойствами черных дыр, что следует из Общей теории относительности Эйнштейна — одной из самых фундаментальных теорий на данный момент. Поэтому изучение черных дыр и любое подтверждение их существования и свойств вносят огромный вклад в наше понимание того, как вообще устроен мир.
Добавлю, что в нашей научной группе в ИКИ РАН, возглавляемой профессором Геннадием Бисноватым-Коганом, около пяти лет ведутся активные теоретические исследования тени черных дыр. Опубликовано пять работ в одном из самых престижных научных журналов — Physical Review D. В прошлом году мы опубликовали исследование о том, как расширение Вселенной будет влиять на наблюдаемый размер тени черной дыры. Во Вселенной есть сверхмассивные черные дыры, которые гораздо дальше от нас, чем черная дыра в галактике M87. На больших (как говорят, космологических) расстояниях становятся важными эффекты расширения Вселенной. В том числе расширение Вселенной начинает существенно влиять на размер тени сверхмассивной черной дыры. Мы показали, что для очень далеких черных дыр расширение Вселенной приводит к увеличению размера тени. Это важно, поскольку основная проблема в наблюдении тени — ее очень маленький размер на небе. А за счет влияния расширения Вселенной появляется надежда увидеть тень не только ближайших к нам сверхмассивных черных дыр, но и очень-очень далеких. Примечательно, что размер тени сверхмассивной черной дыры на космологических расстояниях может достигать размера тени в галактике M87. Поэтому наше предсказание возможно проверить уже в ближайшем будущем.