Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы

Но что мы видим на полученном изображении чёрной дыры

Наука и жизньНаука

Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы

Астрономы добились огромного успеха — впервые получили изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. Но что мы видим на полученном изображении, как оно получено и почему выбрана именно галактика М 87?

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов.

Художественное изображение чёрной дыры с аккреционным диском, повёрнутым к Земле ребром.

Чёрные дыры — необычные космические объекты, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Они имеют гигантские массы и исключительно компактные размеры. Их гравитация настолько велика, что не позволяет «убежать» от них даже свету. Граница области, которую не может покинуть свет, называется горизонтом событий, а её радиус — гравитационным радиусом. Гравитационный радиус считают размером чёрной дыры.

Если чёрная дыра сферически симметрична и не вращается, её гравитационный радиус можно вычислить по формуле, полученной в 1916 году немецким физиком Карлом Шварцшильдом из общей теории относительности Эйнштейна. Эту расчётную величину называют радиусом Шварцшильда (RS). Чтобы возникла чёрная дыра, массивное тело должно быть сжато до размера меньшего RS. Для Солнца RS около 3 км, а для сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути (Sgr A*) он составляет примерно 12,7 миллиона километров. Это всего лишь в 20 раз больше Солнца. Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М 87 — одна из самых больших среди известных. Для неё радиус Шварцшильда около 20 миллиардов километров, что примерно в четыре раза больше орбиты Нептуна.

Галактика М 87 находится в созвездии Девы. Открыта Шарлем Мессье в 1781 году. Карта создана в программе Stellarium.

Смысл названия «горизонт событий» в том, что информация о событиях, произошедших внутри этого горизонта, никогда не достигнет наблюдателя, находящегося за его пределами, ведь свет от точек внутри горизонта не сможет уйти от чёрной дыры. Эти события находятся для нас как бы за горизонтом.

По происхождению выделяют два вида чёрных дыр. Первый — чёрные дыры звёздной массы, они представляют собой остатки массивных звёзд (массой более 20 масс Солнца), которые взорвались как сверхновые. Это последний этап эволюции звёзд. Второй вид — сверхмассивные чёрные дыры с массами более 100 тысяч масс Солнца. Как они образовались, пока не ясно. По одной из гипотез они сформировались из огромных облаков материи одновременно с галактиками. Другая гипотеза предполагает, что они возникли в результате слияния сталкивающихся чёрных дыр звёздной массы.

«Голую» чёрную дыру увидеть нельзя. Сама она практически не излучает, а падающий свет полностью поглощает, так что даже отражённым светом, подобно Луне, не светит.

Чёрные дыры ранее обнаруживали по мощному излучению из их окрестностей. Благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства. Падающее на чёрную дыру вещество разгоняется до околосветовых скоростей и закручивается вокруг неё, образуя аккреционный диск. Температура плазмы в нём из-за трения достигает миллионов градусов. Поэтому аккреционный диск испускает тепловое излучение. Движение же релятивистских электронов в искривлённом магнитном поле порождает так называемое синхротронное излучение. Часто у таких чёрных дыр возникают выбрасываемые струи плазмы — джеты, тоже движущиеся с огромной скоростью. Диск и джеты — сильнейшие источники излучения во всех диапазонах электромагнитных волн. Аккреционные диски, возникшие около сверхмассивных чёрных дыр в центрах некоторых галактик, — невероятно яркие и могут затмить все остальные миллиарды звёзд этой галактики, вместе взятые.

Доказательством существования чёрных дыр служат и обнаруженные в 2015 году гравитационные волны от их слияния (см. «Наука и жизнь» № 3, 2016 г.).

Что такое телескоп горизонта событий и как он работает?

Даже сверхмассивные чёрные дыры, обнаруженные в центрах многих галактик, в том числе и нашего Млечного Пути, представляют собой сравнительно малые объекты, что до сих пор делало невозможным их прямое наблюдение. Ни один земной телескоп не обладает достаточным разрешением, чтобы разглядеть области такого размера. Напомним, что разрешающая способность зависит от отношения λ/D, где λ — длина волны принимаемого излучения, а D — размер телескопа. Чем меньше длина волны и больше размер телескопа, тем лучше угловое разрешение, тем более мелкие детали он может рассмотреть.

Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) предназначен именно для получения изображений чёрных дыр. Он представляет собой систему из нескольких наземных радиотелескопов, расположенных в разных местах Земли. Использование метода интерферометрии со сверхдлинной базой и вращения нашей планеты позволяет объединить их в единый гигантский телескоп размером с земной шар. Благодаря современным алгоритмам обработки данных EHT достиг углового разрешения порядка 20 микросекунд, что соответствует способности читать заголовки газет на Луне. Для сравнения разрешение телескопа Хаббла диаметром 2,4 метра составляет около 0,05 угловой секунды, что в 2500 раз хуже.

Расположение телескопов ЕНТ, участвовавших в наблюдениях в апреле 2017 года: SMA и JCMT — Гавайи, SMT — США, LMT — Мексика, ALMA и APEX — Чили, SPT — Антарктида и PV (IRAM) — Испания. Сплошные линии показывают пары телескопов, следивших за М 87, пунктирные — за квазаром 3C 279, который использовали для калибровки измерений. Иллюстрация из статьи в «The Astrophysical Journal Letters», Volume 875, Number 1, CC BY 3.0.

Создание EHT было технической задачей величайшей сложности, решение которой потребовало организации и отладки всемирной сети телескопов. Хотя телескопы не связаны друг с другом физически, получаемые ими наблюдательные данные необходимо было очень точно синхронизировать при помощи атомных часов. На подготовительную работу потребовалось 10 лет и 290 миллионов долларов.

Проект EHT — это не только телескопы, но и международный коллектив, в который входят более 200 астрономов из 60 исследовательских организаций Европы, Азии, Африки, Северной и Южной Америки. Чтобы на основе наблюдений получить изображение чёрной дыры, требовались теоретические и имитационные исследования, разработка алгоритмов обработки данных.

В период с 5 по 11 апреля 2017 года EHT наблюдал M 87 в течение четырёх дней. В работе участвовали восемь радиотелескопов: ALMA, APEX (Чили), 30-метровый телескоп IRAM (Испания), телескоп Джеймса Клерка Максвелла JCMT и Субмиллиметровая решётка SMA (Гавайи), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (LMT, Мексика), Субмиллиметровый телескоп (SMT, США) и телескоп на Южном полюсе (SPT, Антарктида).

Авторизуйтесь и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Ядовитый свинец — защитник от радиации Ядовитый свинец — защитник от радиации

У этого металла, несмотря на все его достоинства, не самая хорошая репутация

Наука и жизнь, август'19
Люди будущего Люди будущего

Когда-то войны шли за ресурсы, сейчас бьются за инновации

Вокруг света, август'19
Как спастись от меланомы летом, когда риск рака кожи максимален Как спастись от меланомы летом, когда риск рака кожи максимален

Лето — сезон не только отпусков, моря и солнца

Men’s Health, июнь'19
Модные планы на выходные. 29–30 июня Модные планы на выходные. 29–30 июня

«Экология как новая политика», летняя еда и каннское кино

Vogue, июнь'19
Очеловечивание расчеловеченных Очеловечивание расчеловеченных

Корреспондент «РР» отправилась в Екатеринбург, чтобы во врагах увидеть людей

Русский репортер, июнь'19
Искусство: Елена Кальницкая Искусство: Елена Кальницкая

Директор ГМЗ «Петергоф» руководит самым посещаемым музеем России

Собака.ru, июнь'19
Как пластилиновые любовники Татьяны Бродач покорили мир Как пластилиновые любовники Татьяны Бродач покорили мир

Где купить пластилиновых любовников Татьяны Бродач

Vogue, июнь'19
Танкеры вместо пробирок Танкеры вместо пробирок

Что стоит за атакой на танкеры в Оманском заливе?

Эксперт, июнь'19
Еще один из рода Виндзор Еще один из рода Виндзор

Ее Величество Елизавета II за дворцовыми дверями просто лучшая на свете Гэн-Гэн

Караван историй, июль'19
Элеонора Каризи о моде и блогинге Элеонора Каризи о моде и блогинге

It girl рассказала, почему сменила тексты на фотографии, а Турин на Милан

Vogue, июнь'19
Показ Jacquemus прошел в лавандовых полях Прованса Показ Jacquemus прошел в лавандовых полях Прованса

Было жарко – в прямом и переносном смысле

GQ, июнь'19
Маша Малиновская: «Идеальных партнеров не существует» Маша Малиновская: «Идеальных партнеров не существует»

Умеет Маша разбудить воображение!

Playboy, июнь'19
Почему окрашивание тканей — самая серьезная проблема модной индустрии и как ее решить Почему окрашивание тканей — самая серьезная проблема модной индустрии и как ее решить

Можно ли обойтись без токсичных химикатов и загрязнения воды — отвечают эксперты

Vogue, июнь'19
В нужное русло В нужное русло

Лучшие занятия для отдыха у воды

National Geographic Traveler, июнь'19
«Уралсиб» потерял санатора «Уралсиб» потерял санатора

Чем запомнился Владимир Коган

РБК, июнь'19
24 часа с Айзой Анохиной 24 часа с Айзой Анохиной

Сутки с Айзой Анохиной, рэп-исполнительницей, ведущей шоу VBATTLE

Cosmopolitan, июль'19
Что значит «одеваться не по возрасту»: мнение стилиста Что значит «одеваться не по возрасту»: мнение стилиста

Что думают стилисты о фразе «Не по возрасту оделся!»

Psychologies, июнь'19
Ах, оставьте Ах, оставьте

Что важно учесть, оставляя ребенка одного дома на несколько дней

Добрые советы, июль'19
«Слуга народа» собрал компанию «Слуга народа» собрал компанию

Украинские партии начали борьбу за места в Верховной раде

РБК, июнь'19
Диванные эксперты Диванные эксперты

У производителей мягкой мебели есть ответ на любой запрос

AD, июль'19
Перемена мест Перемена мест

Актриса и певица Шарлотта Генсбур везет в Москву и Петербург новый альбом

Vogue, июль'19
Оксана Лаврентьева и Александр Цыпкин: «Мы встретились и больше не расставались» Оксана Лаврентьева и Александр Цыпкин: «Мы встретились и больше не расставались»

Оксана Лаврентьева и Александр Цыпкин ответили на вопросы подписчиков блога

Grazia, июнь'19
Не только о себе думаем Не только о себе думаем

Хотите сделать мир лучше? Бьюти-бренды готовы предоставить вам такую возможность

Glamour, июль'19
11 лучших женщин-роботов в кино 11 лучших женщин-роботов в кино

Каких женщин-киборгов мы повидали за свою жизнь

Maxim, июнь'19
Полураспад лжи Полураспад лжи

Что думает о самом рейтинговом сериале в истории его создатель

Русский репортер, июнь'19
Мы можем всё... съесть: на очереди панголины Мы можем всё... съесть: на очереди панголины

Эти чешуйчатые создания высоко ценятся на черном рынке

National Geographic, июль'19
Эль Фаннинг Эль Фаннинг

Интервью с самой амбициозной молодой американской актрисой Эль Фаннинг

Elle, июль'19
«Реального хай-тека в России практически нет» «Реального хай-тека в России практически нет»

Почему общество перестало успевать за наукой и как мода вредит последней

Огонёк, июнь'19
ЛГБТК-активисты о жизни и борьбе за права в разных странах ЛГБТК-активисты о жизни и борьбе за права в разных странах

Художники, журналисты, политики от Филиппин до Бангладеша

Vogue, июнь'19
Энтропия европейской системы Энтропия европейской системы

Выборы в Европарламент высветили запрос на радикализацию политического курса

Эксперт, июнь'19