10 апреля в разных странах мира прошло несколько пресс-конференций, на которых астрономы доложили о результатах многолетнего проекта EHT (Event Horizon Telescope, или «Телескоп горизонта событий»). Этот проект — исследование черной дыры, расположенной в центре нашей галактики, а также в одной из соседних галактик, М87 — с помощью сразу восьми радиотелескопов миллиметрового радиодиапазона, разбросанных по всему земному шару.
Около ста лет черные дыры были теоретическим объектом. Их существование следовало из общей теории относительности, причем некоторые космические объекты вели себя таким образом, что наличие черной дыры было наиболее естественным объяснением их свойств, однако зарегистрировать непосредственный сигнал от черных дыр долгое время не представлялось возможным. Три с половиной года назад человечество впервые смогло «услышать» черные дыры: проект LIGO зарегистрировал гравитационные волны, испущенные при слиянии двух черных дыр. Опубликованные сегодня материалы позволяют впервые «увидеть» этот объект.
Кавычки необходимы здесь потому, что непосредственно увидеть черную дыру — зарегистрировать испущенные ею фотоны — невозможно (единственные фотоны, которые испускает черная дыра — Хокингово излучение, имеющее ничтожно малую энергию и интенсивность). Тем не менее, можно увидеть непосредственные окрестности «горизонта событий», то есть области, откуда не может ускользнуть никакое излучение. Гравитационное поле черной дыры искажает траектории световых лучей: можно сказать, что черная дыра отбрасывает тень. Именно ее и надеялись рассмотреть астрономы, участвовавшие в проекте.
Черную дыру, или объект Sagittarius A*, расположенную в центре галактики «Млечный путь», закрывают от нас облака газа и пыли вблизи галактического центра. Таким образом, в оптическом диапазоне наблюдать объект невозможно. Наблюдениям в радиоволнах препятствует ионизированный газ. Остается лишь небольшое частотное окно в диапазоне миллиметровых радиоволн, и инструментарий, необходимый для таких наблюдений, стал доступен лишь в последнее десятилетие.
Несмотря на огромную массу — примерно 4 миллиона солнечных масс — наша галактическая черная дыра представляет собой очень компактный объект: ее горизонт событий диаметром 24 млн километров легко уместился бы внутри орбиты Меркурия. Для наблюдения столь маленького объекта с расстояния в 26 000 световых лет исследователям пришлось применить принципы длиннобазной интерферометрии. Восемь телескопов, участвующих в проекте, расположены на разных континентах.
Другим объектом наблюдения была черная дыра в центре галактики М87 в созвездии Девы. Этот объект давно привлекает внимание астрономов, поскольку имеет очень большую яркость в радиодиапазоне. Хотя она значительно дальше от нас, чем Sagittarius A* (около 55 млн световых лет), ее расположение делает ее более удобной для наблюдения. Кроме того, эта черная дыра значительно массивнее (6,5 млрд солнечных масс), и радиус ее горизонта событий превосходит размеры Солнечной системы.
Наблюдения были проведены еще в 2017 году, и последующие два года эти данные обрабатывались. Общий объем данных составил 4 петабайта (то есть 4 миллиона гигабайт) — это примерно соответствует восьми тысячелетиям непрерывной музыки в формате mp3. Чтобы обмениваться этими данными между собой, исследователи вынуждены были перевозить на самолетах твердые носители: современный интернет с подобной задачей бы не справился.
Некоторые из телескопов, участвовавших в проекте. 1: Южнополярный телескоп; 2: Большой миллиметровый/субмиллиметровый телескоп, Атакама, Чили; 3: Большой миллиметровый телескоп, Мексика; 4: Субмиллиметровый телескоп, Аризона; 5: Телескоп Джеймс Клерк Максвелл, Гавайи; 6: 30-метровый радиотелескоп IRAM, Испания
Итогом наблюдений, представленным 10 апреля, было первое в мире реальное изображение черной дыры — а именно, той, что находится в центре галактики М87. На реконструированном изображении можно видеть темную «тень» горизонта события, а также вращающийся диск материи, падающей на черную дыру. Искривление световых лучей приводит к тому, что мы можем видеть даже те части диска, которые находятся позади черной дыры. Одна сторона диска заметно ярче другой: причина в том, что материя вращается со скоростью, близкой к скорости света, и энергия фотонов, испущенных удаляющейся от наблюдателя частью диска, заметно меньше. Фактические размеры черной дыры примерно в 2,5 раза меньше, чем ее видимая «тень».
Ожидается, что полученные результаты помогут проверить многие физические теории, описывающие поведение черных дыр. Описание подобных объектов основывается на теориях квантовой гравитации, разработка которых пока далека от завершения.
Ранее «увидеть» тень от черной дыры пытались российские ученые на космическом телескопе «Радиоастрон». Его преимущество в том, что он, работая в группе с наземными телескопами, образовывал виртуальный гигантский телескоп размером от Земли до высоты его орбиты.
«Перед нами стояла задача увидеть тень от черной дыры в центре галактики М87. Должно было повезти», — объясняет Forbes член-корреспондент РАН, руководитель научной программы «Радиоастрон», руководитель научных лабораторий в ФИАН и МФТИ Юрий Ковалев.
Однако исследователям «не повезло»: на момент создания «Радиоастрона» были неизвестны условия поглощения радиоизлучения в галактиках. Для российского радиотелескопа минимальная длина волны — 1,3 сантиметра. Исследования показали, что как раз в сантиметровом диапазоне наблюдается синхротронное самопоглощение радиоизлучения от черных дыр в центрах галактик.
При этом результаты «Радиоастрона» учитывались в работе EHT — у научных групп есть совместные публикации по спектру поглощения пылью.