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

Орудия пыток Орудия пыток

Для допросов с применением пыток были придуманы самые разные приспособления

Дилетант
Как победить аллергию с помощью гаджета: проверяем на себе Как победить аллергию с помощью гаджета: проверяем на себе

Тест очистителя воздуха Dyson Pure Hot+Cool на настоящих аллергиках

Популярная механика
Люди на пределе Люди на пределе

Возможности нашего собственного, среднестатистического тела

Вокруг света
Не воспроизводится видео на компьютере: что делать? Не воспроизводится видео на компьютере: что делать?

Некоторые видеофайлы на компьютере или ноутбуке просто не запускаются

CHIP
Идея! Оставлять чаевые Идея! Оставлять чаевые

Учись правильно благодарить тех, кто оказывает тебе услуги

Maxim
8 нововведений, которые сильно изменят жизнь автомобилистов 8 нововведений, которые сильно изменят жизнь автомобилистов

Несколько очень обсуждаемых инициатив июня 2019 года для автомобилистов

РБК
Диван желаний Диван желаний

Татьяна Бабенкова из сериала и фильма «Полицейский с Рублевки»

Maxim
Натюрморт Михаила Ларионова и «Аэродром» Георгия Нисского — топ-лоты русских торгов Sotheby’s Натюрморт Михаила Ларионова и «Аэродром» Георгия Нисского — топ-лоты русских торгов Sotheby’s

На что обязательно обратить внимание на аукционе Sotheby's

Forbes
На старт, внимание На старт, внимание

Новую гонку ведущих космических держав можно считать открытой

Популярная механика
Где поесть в Лондоне. Гастрономический гид ресторатора Ильи Тютенкова Где поесть в Лондоне. Гастрономический гид ресторатора Ильи Тютенкова

Илья Тютенков отправился в Лондон, чтобы смахнуть пыль с вековых барных стоек

РБК
Судьба разведчика Судьба разведчика

Под покровом секретности на Урале в 1962 году случился международный скандал

Популярная механика
9 лучших фильмов про зомби апокалипсис (посмотри ночью и проверь, какой ты смелый) 9 лучших фильмов про зомби апокалипсис (посмотри ночью и проверь, какой ты смелый)

Тяжелый денек? Пора включить фильмы про зомби апокалипсис!

Playboy
Что говорят о нас отношения с деньгами Что говорят о нас отношения с деньгами

По тому, как человек относится к деньгам, можно определить его образ мышления

Psychologies
Ученые исследовали древний артефакт из обсидиана Ученые исследовали древний артефакт из обсидиана

Международная группа ученых исследовала древнее обсидиановое зеркало

Популярная механика
Сокровища Урарту Сокровища Урарту

Четыре сокровища древнего Урарту

Вокруг света
Секс-фейлы звезд: Симпсон не устроил размер, а Катчер занялся этим в лесу Секс-фейлы звезд: Симпсон не устроил размер, а Катчер занялся этим в лесу

Криминальные, травматичные и другие секс-истории знаменитостей

Cosmopolitan
Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
Предприниматель Дарья Лисиченко — о Konkovo market, аренде и брендах Предприниматель Дарья Лисиченко — о Konkovo market, аренде и брендах

О большой переделке ТК «Коньково» в Konkovo market

РБК
Одержимый царь Одержимый царь

Победа в Полтавской битве стала возможной только благодаря железной воле Петра I

Дилетант
Искусство на миллион. Как утроить свои активы, инвестируя в искусство Искусство на миллион. Как утроить свои активы, инвестируя в искусство

Филип Хоффман рассказал Forbes Life о том, как и какое искусство нужно покупать

Forbes
Пришел Кутузов бить французов: 7 мифов о легендарном генерал-фельдмаршале Пришел Кутузов бить французов: 7 мифов о легендарном генерал-фельдмаршале

Масон, заговорщик, бездарный полководец, «выезжавший» за счет чужих достижений?

Вокруг света
Кухня Кухня

Мы собрали кухни со всего света и разделили их по типам планировки

AD
Переменная величина Переменная величина

Насколько важен для нас секс

Psychologies
Разрешите представиться. 5 фактов о новом Bentley Flying Spur Разрешите представиться. 5 фактов о новом Bentley Flying Spur

Обновленный двигатель, полноуправляемое шасси и салон, как у роскошной яхты

РБК
Рама Тайский: король в законе Рама Тайский: король в законе

Сегодняшний тайский король даст фору Калигуле

Maxim
Последняя ведьма Британии: удивительная история Хелены Дункан Последняя ведьма Британии: удивительная история Хелены Дункан

Хелена Дункан — женщина-медиум, последняя осужденная по Акту о ведьмовстве

Cosmopolitan
Микробы от похмелья Микробы от похмелья

Бактерии, которые способны утилизировать алкогольный токсин в кишечнике

Популярная механика
Диво дивное Диво дивное

На знакомство с Воронежской областью надо выделить хотя бы несколько дней

Лиза
Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость

Как защититься от хамства, не опускаясь до него?

Psychologies
От Jay-Z до Дрейка: самые богатые рэперы мира-2019. Рейтинг Forbes От Jay-Z до Дрейка: самые богатые рэперы мира-2019. Рейтинг Forbes

Jay-Z уже миллиардер, первый из хип-хоп-исполнителей. Кто следующий?

Forbes
Открыть в приложении