первый снимок черной дыры в истории человечества
Получена первая в истории фотография черной дыры
Новости партнеров
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.
Опубликован первый в истории снимок черной дыры
Астрофизики показали первое в истории человечестве изображение черной дыры. Пресс-конференцию об итогах работы «Телескопа горизонта событий» транслировал Национальный научный фонд США. Эта черная дыра называется Мессье 87 или Дева А, она находится на расстоянии около 53 миллионов световых лет от Земли. Масса Мессье 87 превышает массу Солнца в шесть с половиной миллиардов раз.
Ученые объединили мощности восьми длинноволновых радиотелескопов в разных точках планеты в один большой радиотелескоп-интерферометр, поскольку сеть радиотелескопов лучше всего подходит для подобных наблюдений. Радиотелескопы находятся, в частности, во Франции, Чили, на острове Гавайи, Южном полюсе. Телескоп горизонта событий получил свое название в честь границы пространства-времени, которое окружает черную дыру и является так называемой точкой невозврата.
Чтобы исследовать окрестности сверхмассивных черных дыр в центрах каждой галактики, ученые направили сеть радиотелескопов на два объекта — Стрелец А*, компактный и яркий источник радиоизлучения, находящийся в центре нашей галактики Млечный Путь на расстоянии около 26 тыс. световых лет от Земли, и на еще одну черную дыру — в центре эллиптической галактики Messier 87 (M87) в созвездии Девы.
Непрерывные наблюдения продолжались в течение 10 суток в апреле 2017 года. Каждый из телескопов собрал по 500 ТБ информации. На расшифровку и анализ полученных данных у ученых ушло два года. При изучении результатов наблюдений ученые прибегли к помощи суперкомпьютеров в обсерватории Хайстак (Массачусетский технологический институт, США) и Институте радиоастрономии имени Макса Планка в Бонне (Германия).
Мессье 87, также называемая Дева A, представляет собой гигантскую эллиптическую галактику, вторую по яркости среди галактик в Скоплении Девы и одну из наиболее массивных в местной Вселенной. Сверхмассивная черная дыра, расположенная в ее центре, одна из крупнейших известных на данный момент — ее масса составляет порядка 6–7 миллиардов масс Солнца, то есть примерно в тысячу раз больше, чем у черной дыры в центре Млечного Пути, обозначаемой как Стрелец A*.
Похоже, что черная дыра вращается. «Мы наблюдали четыре дня, все это время картинка была примерно одинаковой, мало что менялось. контраст не менялся и соответствует предсказанием для тени (черной дыры) несимметричная картинка говорит о вращении вещества. Как сама черная дыра, так и вещество вокруг могут вращаться», — говорит Моника Мощибродская (Monika Moscibrodzka).
«Полученная картинка подтверждает существование горизонта событий, то есть подтверждает правильность общей теории относительности Эйнштейна, — говорит один из руководителей проекта Лучано Реццола. — Значение открытие — превращение математического концепта горизонта событий, который обычно является написанными на доске формулами, в реальный объект, что-то проверяемое, измеряемое и многократно наблюдаемое. Это может показаться незначимым, но это фундаментальный первый шаг в любом научном исследовании».
Первое фото черной дыры: история создания
Сработало. Event Horizon Telescope (EHT) — «телескоп горизонта событий» — всегда казался маловероятным: создать виртуальный телескоп размером с Землю, чтобы сфотографировать тень черной дыры. Каждая часть этого предложения немножечко безумна. Но сработало. Спустя более десяти лет технической разработки и сбора средств, астрономы собрали EHT и показали первый снимок черной дыры: пузырек чистой гравитации, дыра в пространстве-времени, настолько странное предсказание общей теории относительности, что сам Альберт Эйнштейн долгое время не верил, что это вообще возможно.
И все-таки она существует
На шести одновременных пресс-конференциях на четырех континентах астрономы включили экраны с изображением, на котором любой специалист безошибочно узнал бы черную дыру: темный круг, окруженный кольцом света и свисающими огненными каплями, сгустки вещества, нагретые до 100 миллионов градусов и кружащие вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света.
Как выглядит черная дыра
Технически, это картина тени черной дыры: в частности, сверхмассивной черной дыры — монстра с 6,5 миллиарда солнечных масс в 55 миллионах световых годах от Земли — в центре галактики Messier 87. Черные дыры захватывают все, что падает внутрь, включая свет, поэтому они черные. В некотором смысле, они принципиально невидимые, односторонние космические люки, ведущие… непонятно куда. Но из-за того, как они деформируют пространство, они оставляют темный силуэт на пылающей, перегретой материи, которая их окружает. Именно эту сцену запечатлел и явил миру EHT.
C 1960-х годов, когда косвенные астрономические свидетельства и прорывы в теоретической физике сделали существование черных дыр практически бесспорным, эти объекты оказались в подвешенном состоянии: они были наиболее вероятным объяснением всевозможных необъяснимых явлений, но увидеть их не представлялось возможным.
В конце 1990-х годов все изменилось: астрономы по всему миру начали строить мощные высокочастотные радиообсерватории на возвышенностях Гавайев, Мексики, Чили и Южного полюса. Астрофизики-теоретики рассчитали, что теоретическое объединение этих телескопов с использованием метода под названием интерферометрия со сверхдлинными базами может позволить им увидеть тени сверхмассивных черных дыр, которые были достаточно большими и близкими к Земле. Самым большим призом всегда была черная дыра Стрелец A*, в четыре миллиона солнечных масс в центре Млечного Пути. Стрелец А* остается невидимым — по крайней мере, для публики. Но M87, единственная другая известная черная дыра в пределах досягаемости EHT, теперь попала на фото.
Обычно крупные научные открытия вроде такого быстро находят свой путь в массы, но в этот раз астрономы показали удивительную скрытность. Франс Кордова, директор National Science Foundation — которая вложила 28 миллионов долларов в ETH за долгие годы — впервые увидела снимок сегодня утром на пресс-конференции. Он растрогал ее до слез.
NSF и другие финансирующие учреждения пообещали, что результат будет «ошеломляющим» — и он таким и получился. Все-таки, мы получили первое прямое доказательство существования горизонта событий, определяющего границу черной дыры. Но любой, кто надеялся, что этот первый снимок разрушит железную строгость общей теории относительности Эйнштейна, разочаровался: черная дыра выглядит в точности так, как ее рисовали сто лет.
Но этот первый снимок — только начало. Со времени наблюдения 2017 года массив EHT уже вырос в размерах и остроте, к нему присоединился новый телескоп и присоединится еще один, а на каждом из объектов размещается более мощное оборудование для цифровой обработки сигналов. В будущем к EHT присоединятся все возможные телескопы для наблюдения M87, Стрельца А* и других черных дыр, одновременно и в разных диапазонах длин волн — радио, рентгеновском, гамма-лучевом, инфракрасном и оптическом.
Стоит также отметить, что за два часа после пресс-конференции в Интернете появилось не менее шести научных работ на тему наблюдения черной дыры. Они почти наверняка содержат новые догадки и вопросы, которые мы попытаемся нащупать и обнародовать в ближайшее время. Но задумайтесь на минутку вот о чем: разве не странно и не удивительно, что разумные двуногие, использующие инструменты в маленьком мире на задворках Солнечной системы, сумели каким-то образом превратить свою планету в телескоп и сфотографировать «выход» из Вселенной?
Первое в истории фото чёрной дыры
Использовав глобальную сеть телескопов, астрономы увидели и смогли сфотографировать горизонт событий чёрной дыры. Это первое в истории человечества визуальное подтверждение существования чёрных дыр. На изображении центральная чёрная часть окружена кольцом света, более ярким с одной стороны.
«Мы видели то, что считалось невидимым, — сказал Шеперд Доулман (Sheperd Doeleman), директор коллаборации Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope Collaboration). — Мы увидели и сфотографировали чёрную дыру».
Учёным удалось запечатлеть горизонт событий сверхмассивной чёрной дыры в центре сверхгигантской эллиптической галактики М87 (Messier 87) в созвездии Девы, на 55 млн световых лет удалённой от Земли. Запечатлённая сверхмассивная чёрная дыра, согласно расчётам астрофизиков, имеет массу, в 6,5 млрд раз превышающую массу нашего Солнца.
Чтобы это сделать это фото, коллаборации Телескопа горизонта событий пришлось потратить больше десяти лет. В проекте приняли участие более двухсот исследователей, которые использовали мощности восьми крупных радиотелескопов, расположенных в разных частях планеты. Это были телескопы ALMA («Атакамская большая решётка миллиметрового диапазона», пустыня Атакама, Чили; 54 антенны диаметром 12 м и 12 антенн диаметром 7 м), APEX («Атакамский исследовательский эксперимент», там же; антенна диаметром 12 метров), 30-метровый телескоп IRAM (Институт миллиметровой радиоастрономии, Гранада, Испания; антенна диаметром 30 метров), Телескоп Джеймса Клерка Максвелла (JCMT, вулкан Мауна-Кеа, Гавайи, США; субмиллиметровый телескоп с диаметром главного зеркала 15 метров), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (LMT, вулкан Сьерра-Негра, штат Пуэбла, Мексика; тарелка диаметром 50 метров), Субмиллиметровый массив (SMA, вулкан Мауна-Кеа, Гавайи, США; восемь шестиметровых радиотелескопов), Субмиллиметровый телескоп (SMT, Майнт-Грэм, Аризона, США; радиотелескоп с антенной диаметром 10 метров) и Телескоп Южного полюса (SPT, Южный полюс, Антарктика; антенна диаметром 10 метров). Все эти телескопы были объединены в радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, что позволило получить виртуальный телескоп, размеры которого сравнимы с размерами самой Земли.
«Наши наблюдения были скоординированным танцем, в котором мы синхронно направляли наши телескопы в тщательно спланированном порядке, — рассказывает Даниэль Маррон (Daniel Marrone), доцент астрономии из Аризонского университета (University of Arizona). — Чтобы убедиться, что наблюдения были в самом деле одномоментными, чтобы мы могли увидеть один и тот же волновой фронт света, приземляющийся на каждом из наших телескопов, мы использовали на каждом из них чрезвычайно точные атомные часы».
Коллаборация собрала за две недели 5000 трлн байт данных. Чтобы получить из них изображения, их обработали на суперкомпьютерах.
Подробности исследования опубликованы в серии из шести научных работ в Astrophysical Journal Letters.
Силуэт черной дыры на фоне ее раскаленного обеда: что на самом деле сфотографировали ученые в космосе (и зачем)
Что на самом деле показали ученые?
Большинство российских и ряд западных СМИ написали про «первый в истории снимок черной дыры». Увы, это не так. Черная дыра называется так потому, что она черная: ее гравитация так сильна, что любые фотоны могут только влететь в нее, но не покинуть. Космос за черной дырой тоже в основном черный. Увидеть черное на черном очень сложно: попробуйте найти черную кошку в абсолютно темной комнате — и быстро поймете, о чем мы. Тем более что объект, который они снимали, — сверхмассивная черная дыра М87 в центре одноименной далекой галактики — вообще-то лежит в 53 миллионах световых лет от нас. Поэтому его видимый размер для земного наблюдателя ровно такой же, как у черного котенка, лежащего на поверхности абсолютной черной Луны во время самой темной лунной ночи.
Конечно, астрономы и не пытались сделать снимок такого объекта. Достаточно открыть научный журнал, в котором опубликована статья о нем, чтобы прямо в ее заголовке прочитать : на снимке «тень сверхмассивной черной дыры», не она сама.
Почему же многие научно-популярные СМИ — и даже некоторые астрономы в соцсетях — написали «Получен первый снимок черной дыры»? Как отметила в беседе с нами Ирина Якутенко, основатель популяризаторского агентства «Чайник Рассела» и научный журналист, «с точки зрения маркетинга и повышения шансов на новые гранты по теме они совершенно правильно пишут, что увидели именно черную дыру, а не тень (тем более что это не тень в привычном понимании этого слова)». Увы, но да, современная наука чем-то похожа на шоу-бизнес: она тоже требует большого финансирования, и чтобы общество давало на это деньги, нужно рассказывать ему красочные истории. Объяснить, что именно было на снимке, в громком, но коротком заголовке сложно. Поэтому многие решили не напрягаться и написать про «снимок черной дыры» — так проще будет получать деньги на новые исследования.
В реальной жизни все было совсем не так. Крупные черные дыры притягивают к себе много газа и пыли из окружающего пространства, и перед тем, как свалиться в дыру, газ и пыль начинают вращаться вокруг нее, образуя «бублик». Частицы вещества из бублика неизбежно трутся друг о друга. Чем массивнее дыра и чем больше материи она пожирает в единицу времени, тем сильнее это трение. В итоге температура в таком постоянно поедаемом бублике повышается до миллиардов градусов и он начинает исключительно сильно светиться. У черной дыры М87 аппетит очень хороший, поэтому пожираемый ею бублик сверхгоряч и светит сильнее, чем поверхность обычной звезды.
Что это за «тень» такая?
Ирина Якутенко права: то, что показали астрономы, не совсем тень в обычном смысле этого слова. Нормальная тень — это если бы сторонний источник светил на черную дыру и от этого в потоке света возникал бы зазор, по форме повторяющий силуэт дыры. Однако черная дыра обладает исключительно сильной гравитацией, поэтому она искажает свет от стороннего источника намного сильнее, чем если бы просто стояла на его пути. Это легко видеть и на снимке: половина «кольца» вокруг черной дыры тусклее, а половина — ярче. Это потому, что гравитация черной дыры М87 замедлила половину фотонов от бублика раскаленной материи вокруг этой самой черной дыры, отчего половина эта и кажется нам тусклой.
В теории можно сделать снимок не только тени, но и самой черной дыры. Да, она ничего не излучает и поглощает любой падающий на нее свет, но ничего страшного в этом нет. «Черный квадрат» Малевича тоже ничего не излучает: черные предметы либо поглощают, либо рассеивают в стороны почти весь падающий на них свет. Черная дыра отличается от них только формой (примерно сферической) и тем, что поглощает фотоны идеально, ничего не рассеивая. То есть увидеть ее все равно можно: на фоне светящегося бублика она будет выглядеть просто черным провалом. Но сделать это земными телескопами пока нереально, для этого надо «подтянуть» наши телескопы намного, намного ближе.
Чем и как был сделан снимок?
Даже тень черной дыры в полусотне миллионов световых лет увидеть одним-единственным земным телескопом пока невозможно. Для этого использовался Event Horizon Telescope — группа из одиннадцати согласованных радиотелескопов, разбросанных по планете от Антарктиды (десятиметровый радиотелескоп South Pole Telescope на полярной станции) до северного полушария. Разнесенные на тысячи километров друг от друга радиотелескопы вместе позволили ловить фотоны от раскаленного бублика вокруг черной дыры М87 и складывать полученные элементы пазла в одну картинку.
Всего для снимка было использовано 5 тысяч терабайт информации от этих 11 телескопов — элементов Event Horizon Telescope. Это настолько большой объем, что его пересылали к обрабатывающему данные суперкомпьютеру в виде жестких дисков по почте — бессбойная передача по интернету заняла бы слишком много времени.
Но и это само по себе еще не позволило бы получить столь четкий снимок.
Сделать его реальностью помогла работа Кэти Боман, 29-летней выпускницы Массачусетского технологического института. Вместе с коллегами она разработала специальный алгоритм, позволяющий объединять данные от разных телескопов, расположенных в тысячах километров друг от друга. Чтобы точнее «увидеть» тень черной дыры, команда людей под ее руководством ввела в алгоритм модель, которая учитывала теоретические предсказания теории относительности Эйнштейна, чтобы точнее интерпретировать входящие данные.
Не все изображения, которые получали 11 частей Event Horizon Telescope, были одинакового качества: какие-то из них были более четкими, какие-то — менее. Построив с помощью моделирования ожидаемый облик тени от черной дыры такого размера, как М87, команда Боман смогла отсеять менее качественные изображения от более качественных и в итоге получить «картинку» такого уровня, которую без «очищающего» алгоритма было бы невозможно создать.
Зачем землянам изображение черной дыры?
Снимок подтверждает как сам факт существования черных дыр — хотя в нем никто и так не сомневался, — так и то, насколько точны наши представления о них и бублике из пожираемой ими материи. Попутно он позволил несколько уточнить размеры и, соответственно, массу сверхмассивной черной дыры в центре эллиптической (округлой) галактики М87 в 53,5 миллиона световых лет от нас. М87 оказалась очень солидной дырой — в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца. Диаметр ее — 30 миллиардов километров. То есть если взять центральную часть Солнечной системы — от Солнца до Плутона — и засунуть ее внутрь этой черной дыры, то все наши планеты там спокойно поместятся и еще останется немало дополнительного места.
Другая примечательная деталь: судя по новым снимкам, черная дыра М87 вращается с огромной скоростью, более 90% от теоретически возможной. С близкой скоростью вращается и бублик материи вокруг нее. Такая огромная скорость вращения получена для черной дыры впервые и очень интересна. Дело в том, что черная дыра вращается тем быстрее, чем больше вещества упало на нее за всю ее историю. Получается, М87 не только сейчас активно пожирает материю (что и так видно на снимке ее тени), но и делает это уже миллиарды лет подряд без заметных пауз. Это очень резко отличает ее от поведения большинства черных дыр, которые «питаются» намного скромнее. Было бы неплохо понять, почему М87 такая особенная и что вообще определяет аппетит таких опасных объектов, как крупная черная дыра.
Но и это, пожалуй, далеко не самое важное в полученном результате. Дело в том, что черные дыры, по сути, ключевые действующие лица в окружающей нас Вселенной. Если взглянуть на почти все известные галактики, в центре каждой из них лежит сверхмассивная черная дыра (и в нашем Млечном Пути — тоже). И они там вовсе не для красоты: тяготение таких сверхмассивных объектов «собирает» вокруг себя ядро каждой галактики и в конечном счете саму галактику. Без черной дыры в центре материя не могла бы быстро собраться в достаточно плотные структуры. А значит, и образование звезд, и эволюция планетных систем шли бы куда медленнее.
Из этого легко понять, зачем нужно изучать черные дыры: чтобы понимать, как работает Вселенная вокруг нас, надо знать, как работает главный «сборочный механизм» в ее галактике.
Приведем простой пример. Черную дыру в центре галактики М87 удалось снять с высоким качеством потому, что эта дыра очень активно «глотает» вещество и перед приемом «пищи» сильно ее нагревает (трением частиц поглощаемого вещества друг о друга). Бублик этой материи от нагрева дает жесткое рентгеновское излучение, а вверх и вниз от черной дыры бьют струи горячей плазмы, разогнанной до десятков и сотен тысяч километров в секунду. Если бы эта иллюминация состоялась в нашей Галактике, то спецэффекты от нашей сверхмассивной черной дыры было бы видно на Земле и днем и ночью.
Согласно ряду научных работ, два-три миллиона лет назад все так и было. И тогда наша планета могла получать солидное количество жесткого излучения из центра Галактики, где лежит «местная» галактическая черная дыра Стрелец А*. Что будет, если Стрелец А* перейдет от своего нынешнего «голодного» существования к активному пожиранию материи, как в Галактике М87? Не будет ли это угрожать земной жизни? Можно ли предсказать такое событие заранее и насколько оно опасно? Все это — вопросы, ответы на которые хорошо бы знать заранее, а не тогда, когда будет уже слишком поздно.