Центр Галактики: как астрономы рассмотрели главную черную дыру Млечного Пути
Астрономы получили первое изображение центральной черной дыры Млечного Пути. Долгожданный успех потребовал труда более 300 исследователей из 80 научных центров. Астрономы связали в сеть восемь радиотелескопов, разбросанных от Испании до Гавайев и от Аризоны до Антарктиды. Результатом стало полученное с помощью радиоволн изображение. Называть его фотографией или снимком не слишком уместно. Тем не менее и фото в видимом свете выглядело бы примерно так же, если бы мы могли его получить.
На изображении можно видеть яркое кольцо с черным пятном в середине. Это кольцо образовано излучением, кружащим вокруг черной дыры по спирали. Вообще-то радиоволны, как и лучи света, должны распространяться по прямой. Но гравитация черной дыры сильно искривляет пространство вокруг нее. И прямыми в этой новой геометрии являются линии, с нашей точки зрения очень далекие от прямых.
Часть радиоволн по спирали уходит под условную поверхность черной дыры — горизонт событий. После ее пересечения ничто, даже свет, уже не может вырваться обратно. Другая часть выходит наружу, в космос. Эти радиоволны сбегают от черной дыры и достигают наших антенн, позволяя нам любоваться ярким кольцом.
Черное пятно внутри кольца — это так называемая тень. Это область, не испускающая ни радиоволн, ни света, ни других излучений, как и положено черной дыре. Тень несколько шире, чем сама черная дыра, скрывающаяся в ее центре.
Если эта картинка кажется вам знакомой, вы не ошиблись. Она очень похожа на изображение центральной черной дыры галактики М87, опубликованное в 2019 году той же научной коллаборацией.
Теперь ученые располагают уже двумя «портретами» черных дыр, которые различаются по массе более чем в 1000 раз и находятся в двух очень непохожих галактиках. Сравнивая их между собой, исследователи глубже проникнут в свойства сверхмассивных черных дыр — возможно, самых загадочных и экзотических объектов Вселенной.
Физика почти невозможного
Черные дыры предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, связывающей воедино пространство, время и тяготение. Физики-экспериментаторы и астрономы-наблюдатели много десятилетий устраивают этой теории самые разные тесты, и пока она их с блеском проходит. Но прямое наблюдение черных дыр — одна из самых радикальных проверок. Это не тонкие, едва заметные эффекты вроде изменения хода часов на спутниках Земли, а грубое насилие гравитации над пространством и временем. Если столь экстремальный процесс подчиняется строгим требованиям теории относительности, значит, одна из самых красивых и глубоких теорий в истории науки выдержала суровое испытание. А если вдруг нет (кто знает?), то теоретикам придется искать новые ключи к реальности — задача столь же трудная, сколь и заманчивая.
Сверхмассивные черные дыры интересуют не только физиков, но и астрономов. Загадочно уже само существование подобных объектов — никто не знает, откуда они взялись. Теории, конечно, есть, но они плохо согласуются с солидным возрастом некоторых из этих монстров. Кажется, они образовались быстрее, чем готовы признать теоретики.
Роль центральных черных дыр в жизни галактик тоже полна загадок — ясно лишь, что она велика. По мнению разных исследователей, эти монстры могут останавливать рост галактик и даже создавать пригодные для жизни планеты.
Словом, черные дыры интересуют всех. Но наблюдать их не так-то просто, даже если речь идет о ближайшей сверхмассивной черной дыре — нашей собственной.
Дыра в сердце
Астрономы уже почти столетие знают, что в сердце Млечного Пути находится нечто интересное. В 1930-х инженеры, создававшие новые системы связи, буквально наткнулись на радиоволны из центра Галактики. Так и началась история радиоастрономии. В 1970-е стало понятно, что источник этих волн — очень компактное и яркое тело в созвездии Стрельца. Оно получило название Стрелец А*. Когда появились рентгеновские и инфракрасные телескопы, оказалось, что загадочный объект ярко светится и в этих диапазонах. Но что же он представляет собой?
Ученые подозревали, что это черная дыра, окруженная диском постепенно падающего на нее вещества. Могучая гравитация «хищницы» разгоняет материю до околосветовых скоростей. Сталкиваясь друг с другом, потоки вещества разогреваются трением до миллионов градусов. Окружающий черную дыру диск раскаленной материи идеально подходит на роль «светильника», сияющего во всех диапазонах — от радиоволн до рентгеновских лучей. Он был бы виден и в оптические телескопы, не будь центр Галактики закрыт облаками пыли, поглощающей свет.
Но правдоподобная гипотеза — совсем не то же самое, что установленный факт. Доказательства, что в Стрельце А* угнездилась именно черная дыра и ничто иное, появились лишь спустя десятилетия. Их добыли научные группы под руководством Райнхарда Генцеля и Андреа Гез. В 2020 году они получили за эту работу Нобелевскую премию по физике (совместно с теоретиком Роджером Пенроузом).
Группы Генцеля и Гез наблюдали в инфракрасные телескопы за звездами, обращающимися вокруг Стрельца А*. Нанеся на карту орбиты этих светил, эксперты вычислили массу и размер центрального тела. Это был очень кропотливый труд: приступив к нему в начале 1990-х, ученые опубликовали результаты только в 2008 году.
Из этих результатов следовало: небесное тело в центре Стрельца А* размерами не превосходит Солнечной системы, но имеет массу в 4 млн солнц. Следовательно, оно может быть только черной дырой. Других объектов с подобными свойствами просто не существует (разве что в самых экзотических теориях).
Итак, существование сверхмассивной черной дыры в Стрельце А* (а вместе с ней и существование черных дыр вообще) было доказано. Тем не менее астрономы в буквальном смысле никогда ее не видели. Они наблюдали сам объект Стрелец А*, но не в таких подробностях, чтобы различить крошечное черное пятно в его центре.
И немудрено. Согласно теории, черная дыра массой в 4 млн солнц имеет диаметр в 24 млн км. Это примерно 16% расстояния от Земли до Солнца, то есть много меньше верхнего предела, установленного по наблюдениям Генцеля и Гез. При этом она находится в 27 000 (или, по новым данным, в 25 800) световых лет от нас. С такого расстояния объект радиусом в 16% земной орбиты — все равно что спичечный коробок на Луне. Никакой отдельно взятый телескоп, оптический или какой угодно, не в силах его разглядеть.
Телескоп размером с планету
Однако и коробок спичек на Луне — посильная цель для нескольких телескопов, объединенных в один. Такие системы называются интерферометрами. Возьмем два инструмента, разнесенных, скажем, на 1000 км, и объединим принимаемый ими сигнал. По разрешению (способности различать тонкие детали) этот дуэт можно сравнить с гигантским телескопом диаметром в 1000 км!
Правда, этот виртуальный инструмент получит лишь часть информации, доступной тысячекилометровому исполину. Поэтому желательно использовать не два телескопа, а целую сеть инструментов на разных расстояниях друг от друга. Чем гуще эта сеть, тем ближе она по своим возможностям к гигантскому цельному телескопу.
Интерферометры, как и одиночные инструменты, можно делать оптическими, инфракрасными и любыми другими. Но есть нюанс. Расстояние между отдельными телескопами в сети нужно контролировать с точностью до длины волны принимаемого излучения. Иначе система просто не будет работать.
Радиоволны имеют длину от миллиметра и выше. Выдерживать тысячекилометровые дистанции с такой точностью трудно, но возможно. Инфракрасные волны короче, световые — еще короче, и т.д. Так что во всех диапазонах, кроме радио, о межконтинентальных интерферометрах пока можно только мечтать. Поэтому задача разглядывать «коробки на Луне» ложится на плечи радиоастрономов, и эти коробки должны быть радиопередатчиками. К счастью, Стрелец А* как раз из таких.
Портрет монстра в его логове
Сеть радиотелескопов, обеспечившая долгожданный прорыв, носит название Event Horizon Telescope (EHT), то есть Телескоп горизонта событий. Название отражает цель проекта — разглядеть горизонт событий черной дыры.
Специалисты тестировали и настраивали EHT несколько лет. В 2017 году сеть достигла разрешения, позволяющего «увидеть» черную дыру. На этот момент она насчитывала восемь телескопов, расположенных в Испании, Мексике, Чили, на Гавайях, в материковой части США и в Антарктиде. Выбор географии не случаен: чтобы работать вместе, все инструменты должны находиться в одной половине земного шара. В данном случае это Западное полушарие. Астрономы стран Восточного полушария, в том числе российские, не могли подключить к сети свои телескопы. Однако они участвовали в других важных этапах работы, например, в обработке полученных данных.
В апреле 2017 года сеть EHT наблюдала две цели: центральные объекты двух галактик: Млечного Пути (Стрелец А*) и галактики М87 (его обозначают М87*). В центре М87* тоже угнездилась сверхмассивная черная дыра. Она находится в 55 млн световых лет от Земли, гораздо дальше «нашей» черной дыры. Однако она и более чем в 1000 раз больше, так что видимый размер двух «хищниц» почти одинаков.
Более того, в итоге далекая черная дыра оказалась куда более удобным объектом наблюдений. Вот почему это произошло.
Обе черные дыры окружены светящимися дисками вещества, кружащими вокруг них с околосветовой скоростью. Но диск вокруг черной дыры в галактике М87 имеет огромный диаметр. Поэтому внешние слои этого диска совершают полный оборот за несколько недель, а внутренние — за несколько дней. В Стрельце А* диск куда более узкий, и на полный оборот ему хватает нескольких минут. А наблюдения между тем занимали много часов. Это было похоже на попытку снять беспорядочно летающую муху на фотоаппарат с долгой экспозицией.
Чтобы преодолеть эти трудности, ученым пришлось разработать новые алгоритмы обработки данных и целую библиотеку компьютерных моделей черных дыр. Поэтому изображение черной дыры в Стрельце А* и было готово на целых три года позже, чем в М87*.
К слову, с тех пор к сети EHT присоединились три новых телескопа, расположенных в США, Франции и Гренландии. Присоединение гренландского инструмента особенно важно: теперь сеть перекрывает почти все полушарие не только с запада на восток, но и с севера на юг. Так что в скором будущем мы можем увидеть новые, еще более подробные портреты черных дыр.