Портрет на фоне Галактики
Чёрные дыры, пожалуй, самое смелое и фантастическое предсказание общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, появившейся на свет в 1915 году. Гравитация этих космических объектов настолько велика, что не позволяет «убежать» от них даже свету и приводит к возникновению целого ряда необычных явлений, например, сингулярности и горизонта событий.
Долгое время физики исследовали чёрные дыры просто как математическое следствие ОТО, а не как реально существующие объекты. Ситуация изменилась с открытием в конце 1950-х годов квазаров, компактных радиоисточников, обладающих чудовищной мощностью излучения. Это излучение своим давлением неизбежно должно было разорвать космическое тело, внутри которого оно родилось, если только это тело не обладало огромной гравитацией, удерживающей вещество. Так чёрные дыры получили право на реальное существование — как объяснение активных ядер галактик. Уже к концу 1960-х годов астрономы пришли к выводу, что внутри большинства крупных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.
Здесь следует пояснить, что теория выделяет два вида этих объектов. Чёрные дыры звёздной массы возникают в конце эволюции массивных звёзд, после выгорания в них термоядерного «топлива» и гравитационного коллапса — «схлопывания». Чёрная дыра появляется, когда размер тела становится меньше так называемого гравитационного радиуса, зависящего от его массы. Сверхмассивные чёрные дыры формируются за счёт стягивания к себе окружающего космического вещества. Именно последние, по мнению астрономов, должны образовываться в центрах галактик.
В 1971 году британские астрофизики Дональд Линден-Белл и Мартин Рис обосновали наличие сверхмассивной чёрной дыры и в центре нашей Галактики. Вскоре там был обнаружен яркий радиоисточник, ставший кандидатом на эту роль. Он получил название Sgr A* (Sgr — сокращение от латинского названия созвездия Стрельца, в котором для земного наблюдателя находится центр Галактики). Расстояние до него около 27 000 св. лет. И хотя уже с 1980-х годов астрофизики не сомневались в его природе, экспериментального подтверждения пришлось ждать почти полвека. Исследуя движения и спектры большого количества звёзд вблизи Sgr A*, астрономы доказали, что там действительно находится чёрная дыра с массой свыше 4 миллионов солнечных. Эта работа заслуженно получила Нобелевскую премию по физике за 2020 год (см. «Долгожданное признание чёрных дыр», «Наука и жизнь» № 11, 2020 г.).
Однако лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Так что главным аргументом в пользу реальности чёрной дыры стало получение её изображения в 2019 году. Правда, сделано оно было не для Млечного Пути, а для далёкой галактики M 87, расположенной на расстоянии около 54 млн св. лет. На первый взгляд это может показаться странным, но всё дело в том, что, несмотря на близость, центр нашей Галактики скрыт от земных наблюдателей гигантскими пылевыми облаками, сильно затрудняющими исследования. А вот M 87 повёрнута так, что сверхмассивная дыра (M 87*) в её центре видна просто замечательно. Кроме того, M 87 значительно больше Млечного Пути и, соответственно, её сверхмассивная чёрная дыра — одна из самых крупных среди известных, она примерно в 1500 раз массивнее Sgr A*, так что для земных наблюдателей их угловой размер оказывается довольно близким. M 87* и Sgr A* имеют самые большие угловые размеры среди всех известных чёрных дыр, поэтому астрономы и сделали их первоочередными целями для исследования. Успех с M 87* позволил заняться получением изображения и Sgr A*.
Сами чёрные дыры, разумеется, увидеть нельзя, ведь излучение от них не уходит. Но благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства, которое закручивается вокруг них, нагреваясь из-за трения до миллиардов градусов и излучая. В результате астрономы могут наблюдать светящееся кольцо вокруг горизонта событий, окружающее тёмную центральную область, называемую тенью. Подробно о том, что именно наблюдают астрономы, можно прочитать в статье «Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы» (см. «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.). Характерные особенности такого изображения дают много ценной информации об этих объектах.
Сложность получения детального изображения чёрной дыры связана с её небольшим угловым размером. Так, угловой размер Sgr A* составляет около 52 угловых микросекунд, и наблюдение за ним с Земли эквивалентно разглядыванию крупного апельсина (диаметром около 10 см) на Луне. Линейный диаметр чёрной дыры при этом получается порядка 60 миллионов километров. Так что, будучи помещённой на место Солнца, она бы уместилась в пределах орбиты Меркурия, перигелий (ближайшая к Солнцу точка) которой составляет 46 миллионов километров.
Способность увидеть детали изображения в телескопе характеризуется его угловым разрешением — минимальным углом между объектами, которые он может различить. Угловое разрешение зависит от отношения используемой длины волны к диаметру его зеркала. Для наблюдения объекта, детали которого меньше 50 угловых микросекунд, на длине волны около 1 мм потребуется зеркало диаметром 10 000 км и более, что сравнимо с размером Земли (около 13 000 км).
Сплошное зеркало такого размера создать невозможно, однако астрономы нашли выход в использовании так называемой интерферометрии со сверхдлинной базой. В этом случае сигнал от космического источника принимается несколькими телескопами, расположенными в разных местах на Земле, а затем специальным образом обрабатывается для выбранных пар телескопов (расстояние между ними и называется базой). В результате система телескопов работает как один телескоп с размером, равным максимальному расстоянию между ними. Это позволяет получить необходимое разрешение. Такие наблюдения за Sgr A* велись с 1990-х годов, но ощутимый прогресс наступил с запуском в 2009 году проекта «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT), который объединил телескопы на нескольких континентах и большое число астрономов из разных стран мира. Именно EHT, имитируя телескоп размером с планету Земля, смог получить в 2019 году упомянутое выше изображение M 87*.
В обычной интерферометрии телескопы удалены друг от друга на небольшое расстояние, что позволяет соединить их с обрабатывающим центром какой-либо линией передачи, например, кабелем или волноводом. В случае же интерферометрии со сверхдлинной базой, когда телескопы разнесены на тысячи километров, это становится невозможным. В EHT данные каждого телескопа преобразуются в цифровой формат и сохраняются на жёстких дисках вместе с сигналами времени от чрезвычайно точных атомных часов. Затем жёсткие диски доставляются самолётами в обсерваторию Хейстек Массачусетского технологического института (США) и в Институт радиоастрономии Общества Макса Планка (Германия), где данные совместно анализируются на суперкомпьютерах. Так, для Sgr A* восемь телескопов получили 3,5 петабайта (1 петабайт = 1015 байт) данных, которые обрабатывались со скоростью 4 гигабайта в секунду. Чтобы оценить этот объём информации, вспомним, что байтом в информатике кодируется один символ. Тогда книга в 500 страниц имеет объём около 1 мегабайта. Таким образом, данные, собранные EHT, составили бы библиотеку из 3,5 миллиарда толстых томов.