Зачем ученым фото черной дыры? 10 фактов, которые помогут разобраться в сложном вопросе

Возможно, вы видели красивые фотографии с сайтов NASA и ESA, на которых черные дыры выглядят как круги пустоты в окружении звезд. На самом деле это не настоящие изображения с телескопов, а модели или художественные концепты. «Фотографий черных дыр как таковых раньше не было, — объясняет Лутовинов. — Были модели, то есть то, каким мы предполагаем вид черных дыр, исходя из косвенных результатов наблюдений».

Это не значит, что черные дыры раньше не наблюдали. С помощью специальных телескопов фиксировали рентгеновское излучение, которое создавало падающее в черные дыры вещество, и получали не такие красивые изображения, но зато находили места, где черные дыры есть. Еще один метод — долгое время наблюдать за поведением звезд в определенном регионе и сделать вывод, что там находится еще один объект, который не видно.

«По косвенным признакам мы даже оценивали массы черных дыр, которые находятся в центрах нашей и других галактик, — говорит Лутовинов. — Например, с помощью очень чувствительных телескопов 15 лет следили за движением звезд вблизи центра нашей галактики: было видно, что звезды совершают движение по эллиптическим траекториям вокруг объекта в центральной точке. И по движению этих звезд получалось, что в центре галактики есть черная дыра массой 3 миллиона масс Солнца».

Чтобы сделать этот снимок черной дыры, астрономы вели наблюдение в течение 10 дней в апреле 2017 года, потом еще два года обрабатывали полученные данные, которые хранились на специальных жестких дисках. Поскольку телескопы создавали огромное количество данных — примерно по 350 терабайт в день, — информацию нельзя было передать по интернету, поэтому ученые хранили их на десятках жестких дисков.

Черная дыра в M87 очень большая — ее масса оценивается в 6,5 миллиарда масс Солнца. Для сравнения: масса сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути оценивается в 4,3 миллиона масс Солнца. Но также она находится очень далеко от Земли — в 55 миллионах световых лет (для сравнения: расстояние до галактики Андромеда оценивается в 2,52 миллиона световых лет).

В итоге расстояние на небе, которое занимает черная дыра в M87, составляет всего 20 микросекунд. Чтобы понять, что это значит, представьте 50-копеечную монету, которую наблюдают с расстояния в 3,5 километра: угол между глазом и краями монеты составит 1 угловую секунду. А угловая микросекунда в миллиард раз меньше угловой секунды.

«20 микросекунд дуги — это выдающееся достижение, рекордное угловое разрешение, — говорит Лутовинов. — Угловой размер Луны или Солнца на небе составляет примерно полградуса, а здесь достигнуто угловое разрешение в 20 микросекунд. Образно говоря, это позволило бы читать газету в Нью-Йорке, сидя в кафе в Париже».

Впервые о существовании черных дыр заговорили почти сто лет назад, когда немецкий физик Карл Шварцшильд вывел из общей теории относительности Эйнштейна существование областей, где вещество и энергия сосредоточены так плотно, что гравитация не выпустит свет и искривит пространство. Несмотря на то что астрономы не могли наблюдать черную дыру непосредственно, в их существовании никто не сомневался. «Оно логичным образом следует из общей теории относительности, из того, как мы понимаем физику и как представляем себе устройство вселенной, — объясняет Лутовинов. — До этого существование черных дыр подтверждалось косвенно — например, за массивными компактными объектами в двойных системах или сверхмассивными объектами в центрах нашей или других галактик».

Поскольку черная дыра ничего не излучает, ее нельзя увидеть просто так. Но зато можно увидеть вещество, которое с большой скоростью падает на черную дыру. «Если черная дыра где‑то в пустом пространстве одна, ее не увидеть — она ничего не излучает, — говорит Лутовинов. — Но мы все-таки можем регистрировать излучение от черных дыр, однако светит не сама дыра, а ее окрестности. Если поставить рядом с ней звезду или поместить черную дыру в облако газа и пыли, то за счет гравитации она начнет притягивать вещество. Оно будет падать на черную дыру, вокруг дыры сформируется аккреционный диск, который разогреется до сотен миллионов градусов и начнет светиться. Это свечение мы и видим». Светлые участки на фотографии — вещество, которое падает на дыру, а темный участок в центре снимка — тень черной дыры, место, где она находится и откуда не выходит свет.

Полученный снимок черной дыры, во-первых, подтверждает понимание общей теории относительности Эйнштейна — например, что у черной дыры должна быть тень, которая находится за светящимся веществом, которое на нее падает, — а во-вторых, говорит о том, что астрономы правильно представляли устройство и работу черных дыр.

Самое известное изображение черной дыры в поп-культуре — Гаргантюа из «Интерстеллара» Кристофера Нолана. Ее модель помогал делать Кип Торн — астроном, эксперт по черным дырам и лауреат Нобелевской премии за регистрацию гравитационных волн. Также известно, что во время съемок от некоторых научных деталей специально отказались, чтобы сделать картинку более зрелищной. Тем не менее Гаргантюа похожа на то, что происходит с реальными черными дырами. «Не будем говорить про детали, но это правильное изображение, просто черную дыру в центре M87 мы видим под другим углом», — уточняет Лутовинов.

Чтобы сделать снимок черной дыры, мало просто одного телескопа или интерферометра. Потребовалась сеть из восьми обсерваторий по всему миру: интерферометр ALMA и радиотелескоп APEX в Чили, радиотелескоп Генриха Герца в Аризоне, IRAM в Испании, телескоп Джеймса Кларка Максвелла на Гавайях, телескоп Южного Полюса в Антарктике и другие. Европейская южная обсерватория называет этот проект «телескопом размером с Землю».

«В интерферометрии для высокого углового разрешения нужно, чтобы расстояние между телескопами было как можно больше: чем больше расстояние, тем более мелкие детали увидите при наблюдении, — объясняет Лутовинов. — Самое большое расстояние, которое можно получить без выхода в космос, это диаметр Земли. Поскольку телескопы расположены на разных континентах, то образное выражение «телескоп размером с Землю» можно считать верным». В будущем к сети присоединят интерферометр IRAM NOEMA во французских Альпах, обсерваторию Китт-Пик в Аризоне и телескоп в Гренландии.

«Есть несколько направлений исследования черных дыр. Например, «Телескоп горизонта событий» уже смотрел и, наверное, еще будет смотреть на черную дыру в центре нашей галактики. Тут есть некоторые сложности. Во-первых, M87 мы видим как бы с лица, а на свою черную дыру смотрим на просвет — через газ и пыль, потому что находимся в диске галактики. Во-вторых, вокруг самой черной дыры находится облако, которое мешает ее увидеть. В-третьих, излучение черной дыры переменное на небольших временных масштабах, что создает определенные сложности. Как я сказал выше, коллеги из ТГС на нее смотрели, и, если все эти эффекты аккуратно учтут и уберут, у них что‑то будет».

«21 июня должна полететь обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма». Это крупнейший российский проект, можно сказать, флагманский проект Роскосмоса и Академии наук, в котором участвует Германия, создавшая один из двух установленных на обсерватории телескопов. Второй телескоп изготовлен в России при сотрудничестве Института космических исследований РАН и Российского федерального ядерного центра в Сарове. Обсерватория будет четыре года делать обзор всего неба, за это время получит самую глубокую карту видимой Вселенной в рентгеновских лучах и увидит порядка 3–4 миллионов сверхмассивных черных дыр, то есть почти всех черных дыр в других галактиках. Конечно, она не увидит их изображения, а просто зарегистрирует излучение.

Эти черные дыры родились в разное время — до 10 миллиардов лет назад. И когда мы проверим их, узнаем, на каких расстояниях они находятся, и оценим их массы, мы поймем, как Вселенная развивалась и какую роль в этом играла темная энергия. Это большой шаг к пониманию устройства мира. Если сейчас мы сделали шажочек и понимаем, как работает теория относительности, то тут, наверное, сможем сказать, как устроена Вселенная и как она развивалась за 7–10 миллиардов лет».