10 научных фактов, которые мы извлекли из первой фотографии черной дыры

[eyespace]

Идея черных дыр восходит к 1783 году, когда кембриджский ученый Джон Мичелл осознал, что достаточно массивный объект в достаточно маленьком пространстве может притягивать даже свет, не давая ему вырваться. Спустя более века Карл Шварцшильд нашел точное решение для общей теории относительности Эйнштейна, которое предсказало такой же результат: черную дыру. Как Мичелл, так и Шварцшильд предсказали явную связь между горизонтом событий, или радиусом области, из которой свет не может вырваться, и массой черной дыры.

Читать дальше. Осторожно, очень много!

В течение 103 лет после шварцшильдовского предсказания его не могли проверить. И только 10 апреля 2019 года ученые раскрыли первую в истории фотографию горизонта событий. Теория Эйнштейна снова сработала, как и всегда.

Хотя мы уже знали о черных дырах довольно много всего, еще до появления первого снимка горизонта событий, он многое изменил и прояснил. У нас было много вопросов, на которые теперь есть ответы.

10 апреля 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope представила первый успешный снимок горизонта событий черной дыры. Эта черная дыра находится в галактике Messier 87: самой большой и массивной галактике в нашем локальном сверхскоплении галактик. Угловой диаметр горизонта событий составил 42 микро-арк-секунды. Это значит, что для того, чтобы покрыть все небо, нужно 23 квадриллиона черных дыр таких же размеров.



На расстоянии в 55 миллионов световых лет, предполагаемая масса этой черной дыры в 6,5 миллиарда раз превышает солнечную. Физически это соответствует размеру, превышающему размер орбиты Плутона вокруг Солнца. Если бы черной дыры не было, свету понадобилось бы около суток, чтобы пройти через диаметр горизонта событий. И только потому, что:
* у Телескопа горизонта событий достаточно разрешающей способности, чтобы увидеть эту черную дыру
* черная дыра сильно излучает радиоволны
* очень мало радиоволновых излучений на фоне, чтобы помешать сигналу.

Мы смогли соорудить этот первый снимок, из которого теперь мы извлекли десять глубоких уроков.

Мы узнали, как выглядит черная дыра. Что дальше?



Это правда черная дыра, как и предсказывалось ОТО. Если вы когда-либо видели статью с названием типа «теоретик смело утверждают, что черных дыр не существует» или «эта новая теория гравитации может перевернуть Эйнштейна», вы догадываетесь, что у физиков нет проблем с придумыванием альтернативных теорий. Несмотря даже на то, что ОТО прошла все испытания, которым мы ее подвергали, недостатка в расширениях, заменах или возможных альтернативах у физиков нет.

И наблюдение черной дыры исключает огромное их количество. Теперь мы знаем, что это черная дыра, а не червоточина. Мы знаем, что горизонт событий существует и что это не голая сингулярность. Мы знаем, что горизонт событий — это не твердая поверхность, поскольку падающее вещество должно выдавать инфракрасную сигнатуру. И все эти наблюдения соответствуют общей теории относительности.

Однако это наблюдение ничего не говорит о темной материи, наиболее модифицированных теориях гравитации, квантовой гравитации или о том, что скрывается за горизонтом событий. Эти идеи находятся за рамками наблюдений EHT.



Гравитационная динамика звезд дает хорошие оценки для масс черной дыры; наблюдения газа — нет.

До первого изображения черной дыры у нас было несколько различных способов измерения масс черных дыр. Мы могли либо использовать измерения звезд — вроде отдельных орбит звезд возле черной дыры в нашей собственной галактики или линии абсорбции звезд в M87 — которые давали нам гравитационную массу, либо выбросов из газа, который движется вокруг центральной черной дыры.

Как для нашей галактики, так и для M87, эти две оценки были очень разными: гравитационные оценки были на 50-90% больше, чем газовые. Для M87 измерения газа показали, что масса черной дыры составляет 3,5 миллиарда солнц, а гравитационные измерения были ближе к 6,2 — 6,6 млрд. Но результаты EHT показали, что черная дыра имеет 6,5 миллиарда солнечных масс, а значит, гравитационная динамика — прекрасный индикатор масс черных дыр, но выводы по газу смещаются в сторону более низких значений. Это прекрасная возможность пересмотреть наши астрофизические предположения об орбитальном газе.

Это должна быть вращающаяся черная дыра, и ее ось вращения указывает в сторону от Земли.

Посредством наблюдений горизонта событий, радиоизлучения вокруг него, крупномасштабного джета и расширенных радиоизлучений, измеренных другими обсерваторий, EHT определила, что это черная дыра Керра (вращающаяся), а не Шварцшильда (не вращающаяся).

Не ни единой простой черты черной дыры, которую мы могли бы изучить, чтобы определить эту природу. Вместо этого нам приходится строить модели самой черной дыры и вещества вне ее, а затем развивать их, чтобы понять, что происходит. Когда вы ищете возможные сигналы, которые могут проявиться, вы получаете возможность ограничивать их так, чтобы они согласовались с вашими результатами. Эта черная дыра должна вращаться, а ось вращения указывает от Земли примерно на 17 градусов.



Мы смогли окончательно определить, что вокруг черной дыры есть вещество, соответствующее аккреционным дискам и потокам.

Мы уже знали, что у M87 был джет — по оптическим наблюдениям — и что она также испускала в радиоволновом и рентгеновском диапазонах. Такого рода излучение не получится получить только от звезд или фотонов: нужно вещество, а также электроны. Только разгоняя электроны в магнитном поле можно получить характерное радиоизлучение, которое мы увидели: синхротронное излучение.

И это также потребовало невероятное количество работы по моделированию. Подкручивая всевозможные параметры всех возможных моделей, вы узнаете, что эти наблюдения не только требуют аккреционных потоков для объяснения радиорезультатов, но и обязательно предсказывают не-радиоволновые результаты — вроде рентгеновских излучений. Важнейшие наблюдения произвел не только EHT, но и другие обсерватории вроде рентгеновского телескопа «Чандра». Потоки аккреции должны нагреваться, о чем свидетельствует спектр магнитных излучений M87, в соответствии с релятивистскими ускоряющимися электронами в магнитном поле.



Видимое кольцо демонстрирует силу гравитации и гравитационное линзирование вокруг центральной черной дыры; и снова ОТО прошла испытания.

Это кольцо в радиодиапазоне не соответствует самому горизонту событий и не соответствует кольцу вращающихся частиц. И это также не самая стабильная круговая орбита черной дыры. Нет, это кольцо возникает из сферы гравитационно линзируемых фотонов, пути которых искривляются гравитацией черной дыры по дороге к нашим глазам.

Этот свет изгибается в большую сферу, чем можно было бы ожидать, если бы гравитация была не такой сильной. Как пишет в работе Event Horizon Telescope Collaboration:

«Мы выяснили, что больше 50% общего потока в арксекундах проходит вблизи горизонта и что это излучение резко подавляется при попадании в эту область, в 10 раз, что является прямым доказательством предсказанной тени черной дыры».

Общая теория относительности Эйнштейна в очередной раз оказалась верной.



Черные дыры — динамические явления, их излучение меняется со временем.

При массе в 6,5 миллиарда солнц, свету понадобится примерно день, чтобы преодолеть горизонт событий черной дыры. Это грубо устанавливает временные рамки, в которые мы можем ожидать увидеть изменения и флуктуации излучения, наблюдаемого EHT.

Даже наблюдения, которые длились несколько дней, позволили нам подтвердить, что структура испускаемого излучения меняется со временем, как и предсказывалось. Данные за 2017 год содержат четыре ночи наблюдений. Даже взглянув на эти четыре изображения можно визуально увидеть, что первые два обладают схожими чертами и последние два также, однако между первым и последним есть значительные отличия. Иными словами, свойства излучения вокруг черной дыры в M87 действительно меняются со временем.



EHT в будущем раскроет физическое происхождение вспышек черных дыр.

Мы увидели, как в рентгеновском, так и в радиодиапазоне, что черная дыра в центре нашего собственного Млечного Пути испускает кратковременные вспышки излучения. Хотя самое первое представленное изображение черной дыры показало сверхмассивный объект в M87, черная дыра в нашей галактике — Стрелец А* — будет такой же большой, только меняться будет быстрее.

По сравнению с массой M87 — 6,5 миллиарда солнечных масс — масса Стрельца А* будет всего 4 миллиона солнечных масс: 0,06% от первой. Это значит, что колебания будут наблюдаться уже не в течение дня, а в течение даже одной минуты. Особенности черной дыры будут меняться быстро, и когда произойдет вспышка, мы сможем раскрыть ее природу.

Как вспышки связаны с температурой и светимостью радиокартины, которую мы увидели? Происходит ли магнитное пересоединение, как в выбросах корональной массы нашего Солнца? Что-нибудь разрывается в потоках аккреции? Стрелец А* вспыхивает ежедневно, поэтому мы сможем связать все нужные сигналы с этими событиями. Если наши модели и наблюдения будут такими же хорошими, какими они оказались для M87, мы сможем определить, что движет этими событиями и, возможно, даже узнаем, что падает в черную дыру, создавая их.



Появятся поляризационные данные, которые раскроют, обладают ли черные дыры собственным магнитным полем.

Хотя мы все мы определенно были рады увидеть первый снимок горизонта событий черной дыры, важно понимать, что вскоре появится совершенно уникальная картина: поляризации света, исходящего от черной дыры. Из-за электромагнитной природы света его взаимодействие с магнитным полем отпечатает особенную поляризационную сигнатуру на ней, позволив нам реконструировать магнитное поле черной дыры, а также и то, как оно меняется со временем.

Мы знаем, что вещество за пределами горизонта событий, являясь по сути движущимися заряженными частицами (вроде электронов), генерирует собственное магнитное поле. Модели указывают, что линии поля могут либо оставаться в аккреционных потоках, либо проходить через горизонт событий, образуя своеобразный «якорь» в черной дыры. Есть связь между этими магнитными полями, аккрецией и ростом черной дыры, а также джетами. Без этих полей материя в потоках аккреции не могла бы терять угловой импульс и падать в горизонт событий.

Поляризационные данные, благодаря силе поляриметрической визуализации, расскажут нам об этом. Данные у нас уже есть: осталось выполнить полный анализ.



Усовершенствование Event Horizon Telescope покажет наличие других черных дыр вблизи галактических центров.

Когда планета вращается вокруг Солнца, это связано не только с тем, что Солнце оказывает гравитационное воздействие на планету. Всегда есть равная и противоположная реакция: планета оказывает воздействие на солнце. Точно так же, когда объект кружит вокруг черной дыры, он также оказывает гравитационное давление на черную дыру. В присутствии целого набора масс возле центров галактик — и, в теории, множества невидимых пока черных дыр — центральная черная дыра должна буквально дрожать на своем месте, будучи растаскиваемой броуновским движением окружающих тел.

Сложность проведения этого измерения сегодня заключается в том, что вам нужна контрольная точка для калибровки вашего положения относительно местоположения черной дыры. Техника для такого измерения подразумевает, что вы смотрите на калибратор, затем на источник, снова на калибратор, снова на источник и так далее. При этом перемещать взгляд нужно очень быстро. К сожалению, атмосфера меняется очень стремительно, и за 1 секунду многое может измениться, поэтому вы просто не успеете сравнить два объекта. Во всяком случае, не с современными технологиями.

Но технологии в этой области развиваются невероятно быстро. Инструменты, которые используются на EHT, ожидают обновления и, возможно, смогут достичь необходимой скорости к середине 2020-х годов. Эта загадка может быть решена к концу следующего десятилетия, и все благодаря улучшению инструментария.



Наконец, Event Horizon Telescope в конечном счете увидит сотни черных дыр.

Чтобы разобрать черную дыру, нужно, чтобы разрешающая сила массива телескопа была лучше (то есть с высоким разрешением), чем размер объекта, который вы ищете. В настоящее время EHT может разобрать только три известных черных дыры во Вселенной с достаточно большим диаметром: Стрелец А*, центр M87, центр галактики NGC 1277.

Но мы можем увеличить мощность ока Event Horizon Telescope до размеров Земли, если запустим телескопы на орбиту. В теории, это уже технически достижимо. Увеличение количества телескопов увеличивает количество и частоту наблюдений, а вместе с тем и разрешение.



Внеся необходимые улучшения, вместо 2-3 галактик мы сможем находить сотни черных дыр или даже больше. Будущее фотоальбомов с черными дырами кажется ярким.

Проект Телескопа горизонта событий был дорогим, но он окупился. Сегодня мы живем в эпоху астрономии черных дыр и наконец-то смогли наблюдать их воочию. Это только начало.