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.

0:00 /
1404.031
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, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Судьба разведчика Судьба разведчика

Под покровом секретности на Урале в 1962 году случился международный скандал

Популярная механика, ноябрь'19
Патологические лжецы: что заставляет их врать? Патологические лжецы: что заставляет их врать?

Почему они все время обманывают и как с этим бороться?

Psychologies, июнь'19
Электрическая ракета, которая изменит войну Электрическая ракета, которая изменит войну

Барражирующие боеприпасы «Ланцет», которые могут в корне изменить войны будущего

Популярная механика, август'19
Созданный россиянами сервис Grabr привлек $1 млн для выхода на новые рынки Созданный россиянами сервис Grabr привлек $1 млн для выхода на новые рынки

Сервис для доставки товаров Grabr получил $1 млн от фонда SDVentures

Forbes, июнь'19
Восток и его обитатели Восток и его обитатели

В озере Восток под ледовым щитом Антарктиды есть жизнь

Популярная механика, декабрь'19
Хочешь пробежать марафон? Самая честная инструкция от тех, кто добежал до финиша Хочешь пробежать марафон? Самая честная инструкция от тех, кто добежал до финиша

Тренер и марафонцы-новички рассказывают, как добежать до финиша

Playboy, июнь'19
Операция «Антимозг» Операция «Антимозг»

О вреде умственного напряжения и творческой пользе бездумного существования

Maxim, декабрь'18
Мастера конспирации: звезды, которые до последнего скрывали беременность Мастера конспирации: звезды, которые до последнего скрывали беременность

Звезды, которые успешно скрывали беременность почти до самых родов

Cosmopolitan, июнь'19
Каким был последний день жизни динозавров на Земле? Каким был последний день жизни динозавров на Земле?

Учёные воссоздали хронологию столкновения планеты с гигантским метеоритом

National Geographic, сентябрь'19
Свет в твоем окне Свет в твоем окне

Близкие Алсу открыли «СтарХиту» неизвестные факты о певице

StarHit, июнь'19
Критическое масло Критическое масло

Что это за масло, с чем его едят и не ест ли оно нас тем временем само?

Maxim, октябрь'19
Музыка нас связала Музыка нас связала

Патрик Реймон из Atelier Oï рассказал, почему он выбрал карьеру дизайнера

AD, июль'19
Где лечиться? Где лечиться?

В какую поликлинику идти – государственную или частную

Домашний Очаг, июль'19
Звездный выпускной: худшие и лучшие бьюти-образы знаменитостей Звездный выпускной: худшие и лучшие бьюти-образы знаменитостей

Как выглядели знаменитости в свой «особенный» день

Cosmopolitan, июнь'19
10 примет времени, изменивших наш быт 10 примет времени, изменивших наш быт

Forbes представляет 10 самых ярких примет нашего времени

Forbes, сентябрь'19
Хедлайнерами Midsummer Night’s Dream станут Acid Pauli и Lee Burridg Хедлайнерами Midsummer Night’s Dream станут Acid Pauli и Lee Burridg

Легендарная вечеринка Midsummer Night’s Dream возвращается

Cosmopolitan, июнь'19
Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки

Удается ли вам спать достаточное количество часов?

Psychologies, апрель'18
Левые взгляды Левые взгляды

Измена всегда серьезный риск для отношений

Добрые советы, июль'19
Чернобыльское досье КГБ Чернобыльское досье КГБ

Украинская власть за последние годы рассекретила огромный массив документов КГБ

Дилетант, сентябрь'19
Порфайл: танцовщик и хореограф Владимир Варнава Порфайл: танцовщик и хореограф Владимир Варнава

Хореограф Владимир Варнава рассказал о танце в своей жизни и своей жизни в танце

Esquire, июнь'19
Био-механизм Био-механизм

Пауки, пожалуй, самые высокотехнологичные существа на планете

Вокруг света, июль'19
«Мы дополняем друг друга как инь и ян» «Мы дополняем друг друга как инь и ян»

Эмин Агаларов и Алёна Гаврилова — очень красивая пара

OK!, июнь'19
Что такое гипотеза симуляции Что такое гипотеза симуляции

Возможно ли, что весь наш мир - не более чем компьютерная симуляция?

Naked Science, февраль'19
Что женщины говорят о своем партнере во время терапии Что женщины говорят о своем партнере во время терапии

Самые частые проблемы женщин в отношениях с партнерами

Psychologies, июнь'19
От «Чужого» до «Хищника»: 10 лучших фильмов про инопланетян От «Чужого» до «Хищника»: 10 лучших фильмов про инопланетян

Фильмы про НЛО и внеземные цивилизации

РБК, сентябрь'19
Положительно заряженная атомная бомба Положительно заряженная атомная бомба

Какую судьбу накаркала своему создателю «Пластилиновая ворона»?

Story, июль'19
Перенаселение Земли: нам нужна еще одна планета или это миф? Перенаселение Земли: нам нужна еще одна планета или это миф?

Стоит ли так бояться перенаселения Земли?

Naked Science, июнь'19
Осмий: тяжёлый, дорогой и совсем не пчела Осмий: тяжёлый, дорогой и совсем не пчела

Элемент с самой высокой плотностью

Наука и жизнь, май'19
10 факторов, которые убивают либидо 10 факторов, которые убивают либидо

На сексуальные желания женщины может влиять множество факторов

Домашний Очаг, октябрь'19
10 признаков того, что вы слишком уступчивы, и что с этим делать 10 признаков того, что вы слишком уступчивы, и что с этим делать

Уступчивость — один из «киллеров успеха»

Psychologies, июнь'19