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 и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Био-механизм Био-механизм

Пауки, пожалуй, самые высокотехнологичные существа на планете

Вокруг света, июль'19
Индустриализация по Маслоу Индустриализация по Маслоу

Индустриальные парки и ОЭЗ начали погружаться в специфику бизнеса предприятий

Эксперт, июнь'19
Сокровища Урарту Сокровища Урарту

Древнее царство Урарту, когда-то могущественное, но забытое на 25 веков

Вокруг света, сентябрь'19
Как будет работать новая криптовалюта от Facebook. Разбор технологии Libra Как будет работать новая криптовалюта от Facebook. Разбор технологии Libra

Кому, когда и как можно будет покупать, хранить и тратить Libra

Forbes, июнь'19
Горе без ума Горе без ума

Ученые вплотную приблизились к ответу на вопрос, существуют ли гены гениальности

Вокруг света, сентябрь'18
5 шагов к осознанной благотворительности 5 шагов к осознанной благотворительности

Как люди приходят в благотворительность и с чего начать свой путь

Psychologies, июнь'19
Они записали убийство Они записали убийство

Квентин Тарантино, Брэд Питт и Леонардо ДиКаприо о главном фильме лета

Esquire, июль'19
Вентиляторы без лопастей: как они работают? Вентиляторы без лопастей: как они работают?

Не обманывают ли нас вентиляторы и за счет чего создается свежесть и прохлада

CHIP, июнь'19
Анна Седокова Анна Седокова

Наверное, она уже привыкла к эпитетам «горячая», «аппетитная», «сочная»

Playboy, сентябрь'19
Рынок сыграл в отставку Рынок сыграл в отставку

Три вопроса о причинах скачка акций «Газпрома»

РБК, 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
Ли Вуд, креативный директор Bikkembergs: «Мужчины чувствуют, что сейчас самое время поиграть с модой» Ли Вуд, креативный директор Bikkembergs: «Мужчины чувствуют, что сейчас самое время поиграть с модой»

У Bikkembergs в ТРК «Vegas Кунцево» в Москве открылся монобрендовый магазин

Esquire, июнь'19
Черная быль. Что именно произошло на Чернобыльской АЭС и чем все кончилось Черная быль. Что именно произошло на Чернобыльской АЭС и чем все кончилось

С момента катастрофы на Чернобыльской АЭС прошло уже много лет

Maxim, апрель'18
Ну послушай! 5 лучших подкастов о бизнесе и карьере Ну послушай! 5 лучших подкастов о бизнесе и карьере

Любой тренд в обществе в определенный момент обязательно становится бизнесом

Forbes, июнь'19
Анекдоты Анекдоты

Лучшие анекдоты месяца

Maxim, февраль'19
Радиевые девушки: фабричные работницы, отравленные радиацией Радиевые девушки: фабричные работницы, отравленные радиацией

Фабричные работницы светились от радиолюминисцентной краски, которая их убивала

Cosmopolitan, июнь'19
Первые европейцы: три в одном Первые европейцы: три в одном

Кем были обитатели древних поселений Европы?

National Geographic, август'19
Современные девочки, древний ритуал Современные девочки, древний ритуал

Девушки, восседающие на пьедестале, олицетворяют приход весны

National Geographic, июль'19
Займемся (любовью) сексом? Займемся (любовью) сексом?

Секс без любви: заниматься или нет

Psychologies, апрель'19
Не протесты, а раскопки. Как федеральные каналы освещали протесты в центре Москвы Не протесты, а раскопки. Как федеральные каналы освещали протесты в центре Москвы

В повестке новостей телеканалов не нашлось места освещению марша протеста

Forbes, июнь'19
Топ-5 нелепых причин, почему фильмы получали «взрослый» рейтинг R Топ-5 нелепых причин, почему фильмы получали «взрослый» рейтинг R

Цензура не спит и иногда ведет себя странно

Playboy, август'19
Как актеры и музыканты поддержали Ивана Голунова Как актеры и музыканты поддержали Ивана Голунова

Слова поддержки Ивану Голунову

РБК, июнь'19
Самые лучшие скейтеры современности — от Найджи Хьюстона до Криса Джослина Самые лучшие скейтеры современности — от Найджи Хьюстона до Криса Джослина

Пора уже, наконец, познакомить тебя с самыми выдающимися доскерами планеты

Playboy, июнь'19
Само несовершенство. Почему женщины не любят себя Само несовершенство. Почему женщины не любят себя

Как полюбить себя, если с самого детства от вас требовали быть идеалом

Forbes, июнь'19
Перекупщики сойдут со сцены Перекупщики сойдут со сцены

Госдума предложила сделать билеты в театр невозвратными

РБК, 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
Тянемся к лучшему Тянемся к лучшему

Как и зачем садиться на шпагат и вставать на мостик, чтобы потом не было больно

Tatler, июль'19
Анастасия: «В брачном контракте все завещаю Юлиану» Анастасия: «В брачном контракте все завещаю Юлиану»

Супруги рассказали «СтарХиту», с какими проблемами столкнулись в браке

StarHit, июнь'19
Гендиректор «Шереметьево» объяснил проблемы с выдачей багажа Гендиректор «Шереметьево» объяснил проблемы с выдачей багажа

Гендиректор аэропорта Михаил Василенко объяснил причину задержки выдачи багажа

Forbes, июнь'19
Cyberpunk 2077: геймплей, сюжет и все подробности об игре Cyberpunk 2077: геймплей, сюжет и все подробности об игре

Что уже известно о сюжете и геймплее экшн-игры Cyberpunk 2077

CHIP, июнь'19