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.