Тень черной дыры. Космический шедевр в восьми вопросах и ответах

Астрофизики из международной группы Event Horizon Telescope (ЕНТ, "Телескоп горизонта событий") продемонстрировали первое в истории изображение тени черной дыры. Этот объект – в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца и находится в центре галактики М 87 (другое название – Дева А) в созвездии Девы на расстоянии более 50 миллионов световых лет от Солнечной системы.

Об открытии было объявлено 10 апреля в ходе специальной пресс-конференции, а в деталях результат описан в шести научных статьях, которые опубликованы в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal Letters. Радио Свобода подробно объясняет, в чем состоит важность этого открытия и какие перспективы оно открывает.

Черная дыра – сверхмассивный астрономический объект, гравитационное притяжение которого столь велико, что его не могут преодолеть даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и фотоны самого света. Возможность существования черных дыр следует из общей теории относительности Альберта Эйнштейна, эти объекты были впервые теоретически описаны более 100 лет назад. С тех пор получено множество косвенных доказательств того, что черные дыры действительно распространены во Вселенной. Одно из них – произведенная экспериментом LIGO в 2015 году фиксация гравитационных волн, вызванных, как считается, слиянием двух черных дыр. Непосредственно наблюдать черные дыры раньше не удавалось, основные причины – они находятся очень далеко и имеют относительно небольшие размеры.

Открытие EHT стало возможным благодаря использованию сразу же восьми синхронно работающих радиотелескопов, объединенных в единую сеть, так называемый радиоинтерферометр. Этот подход позволяет вести наблюдения практически с таким же угловым разрешением, которое дал бы телескоп с размером зеркала, равного максимальному расстоянию между антеннами, составляющими радиоинтерферометр. Такая сеть с крупнейшей базой в мире – российский проект "Радиоастрон", один из телескопов которого находится на орбите. Одной из задач "Радиоастрона" также было получение изображения черных дыр, но она не была выполнена из-за того, что радиоволны в сантиметровом диапазоне, с которым работал "Радиоастрон", сильнее поглощаются, чем волны миллиметрового спектра, которые принимают телескопы EHT.

Изображение тени черной дыры – результат огромного научного значения. “В известном сериале "Теория Большого взрыва" есть герой Раджех Кутраппали, – говорит астрофизик, член-корреспондент РАН, руководитель научной программы проекта “Радиоастрон” Юрий Ковалев. – У него в офисе есть доска, а на ней висят фотографии из реальных научных статей. Раньше настоящим шиком было, если твоя картинка попадала на эту доску – сценаристы внимательно следили за новостями науки. Теперь почетнее всего попасть в дудл – картинку на главной странице Google. Посмотрите сами, сегодня там черная дыра”.

С помощью Юрия Ковалева Радио Свобода разбиралось, что именно видно на картинке с “пончиком”, можно ли считать существование черных дыр окончательно доказанным, почему не показали фотографию центра Млечного пути и куда астрофизики направят свои телескопы теперь.

1. Что именно видно на изображении, распространенном исследователями из EHT?

Коротко: Это так называемая тень черной дыры – кольцевая структура, состоящая из вещества, падающего на черную дыру, разогретого и поэтому светящегося. Темное пятно в середине – зона ниже последней устойчивой орбиты, с которой фотоны еще могут вырваться в нашу сторону. При этом сам предел горизонта событий несколько меньше.

Юрий Ковалев: По всей видимости, на картинке тень черной дыры, честно говоря, сомнений в этом почти нет. До нас не могут дойти фотоны из-под горизонта событий. Но газ, который падает, или, как говорят, аккрецирует на сверхмассивную черную дыру, в процессе разогревается, причем чем ближе к горизонту событий, тем свечение должно быть более ярким. Поэтому мы видим фотоны, которые пришли к нам с одной из последних орбит перед горизонтом событий. Фотоны, которым “повезло” не упасть под горизонт, не улететь в сторону от нас, а выжить, пролетев через облака в центре галактики Дева А, через межгалактическую среду, межзвездную среду, через атмосферу Земли, и попасть в телескоп.

Кстати, это не просто телескоп, а РСДБ, радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, в сущности, сеть синхронно работающих радиотелескопов, которые одновременно наблюдают один и тот же объект, а затем полученные данные собираются вместе и особым образом обрабатываются – коррелируются. Это позволяет увеличить угловое разрешение – способность системы различать на небе очень маленькие объекты. А обсуждаемые черные дыры – относительно маленькие объекты, их угловой размер составляет в лучшем случае пару десятков микросекунд дуги. Разрешение EHT – как раз около 20 микросекунд.

2. Можно ли сказать, что теперь существование черных дыр окончательно доказано?

Коротко: Получено самое прямое из косвенных доказательств: тень черной дыры выглядит ровно так, как предсказывает теория. Но вопрос нельзя считать закрытым – вполне могут появиться альтернативные объяснения, как такая картинка могла получиться и без черной дыры. Для науки это совершенно нормальная ситуация.

Юрий Ковалев: То, что мы увидели, является наиболее прямым из косвенных доказательств существования черных дыр. Это самая правильная формулировка. Знаете, как говорят, – если нечто выглядит как утка, крякает как утка, плавает как утка, то это утка. Вот здесь примерно то же самое. Физики-теоретики в течение многих лет занимались моделированием того, как должна выглядеть тень от черной дыры. И то, что получилось, пока хорошо соответствует этой модели – в рамках точности измерений, которую коллеги получили на сегодняшний день. То есть полученная картинка выглядит похоже на то, как, согласно теоретическим расчетам, сделанным на основе общей теории относительности, должен выглядеть ореол сверхмассивной черной дыры в центре такой активной галактики, как Дева А. Но можно ли назвать это окончательным доказательством существования черных дыр? Можно ли его вообще получить? Понимаете, наука – это постоянные сомнения, постоянный поиск. Как только в чем-нибудь никто не будет сомневаться, наука закончится.

Я думаю, что доказать, что только черная дыра и больше ничто не может дать такой вот кружочек, как на картинке, достаточно непросто. Вполне возможно, будут появляться статьи с какими-то альтернативными объяснениями, и это хорошо, таким образом наука движется вперед.

Мне приходит в голову такая аналогия: несколько лет назад, в 2015 году, были впервые продетектированы гравитационные волны – это сделал интерферометр LIGO. Исследователи получили за это Нобелевскую премию по физике в 2017 году. Но не все помнят, что за открытие гравитационных волн уже давали Нобелевскую премию. В 1993 году ее получили Рассел Халс и Джозеф Тэйлор. Они исследовали двойную систему, в которой одна из звезд была пульсаром, и с высочайшей точностью смогли измерить параметры орбиты этой системы. Удалось аккуратно посчитать, как эта система теряет энергию, и оказалось, что часть энергетических потерь можно объяснить только потерей энергии на гравитационное излучение. То есть впрямую гравитационные волны тогда никто не продетектировал. Это было пусть и косвенное указание на гравитационное излучение, но настолько убедительное, что к моменту открытия LIGO никто уже не сомневался, что двойные системы излучают гравитационные волны. И тем не менее результат LIGO очень важен: он стал фундаментом, ступенькой к дальнейшим открытиям. Началом гравитационной астрономии. Буквально на этой неделе было снова продетектировано интересное гравитационное событие.

То же самое и с открытием EHT. С одной стороны, это самое прямое из косвенных доказательств существования черных дыр. Но это еще и ступенька, с которой мы можем прыгать дальше – уже изучая более глубоко как свойства черных дыр, так и, на их основе, проверяя общую теорию относительности Эйнштейна, то, как она работает в сильном гравитационном поле черных дыр.

3. Группа EHT наблюдала два объекта – черную дыру в центре галактики M 87 (Дева А) и центр нашей галактики Млечный Путь – Стрелец А. Почему выбрали именно эти объекты?

Коротко: Для того чтобы наблюдать тень черной дыры, она должна быть либо достаточно близкой, либо достаточно массивной. Стрелец А – ближайшая к нам черная дыра, центр Девы А в 20 раз дальше, но и во много раз больше. Другие подходящие черные дыры для наблюдения EHT просто пока не известны.

Юрий Ковалев: Мы с достаточно хорошей точностью можем оценить массы центральных сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, особенно в центре нашей галактики. Массу объекта Стрелец А мы знаем с потрясающей точностью благодаря закону Кеплера: можно отследить орбиту движения звезд вокруг центра нашей галактики и по результатам измерений параметров этой орбиты измерить массу центрального тела. Она составляет примерно 4 миллиона масс Солнца.

Зная массу, мы из достаточно простых формул можем вычислить размер горизонта событий. А если мы еще знаем и расстояние до черной дыры, то можно вычислить, какой угловой размер будет у ее тени. Для центра нашей галактики он оказывается достаточно большим, для того чтобы его смог увидеть и разрешить наземный интерферометр, работающий на длине волны 1,3 миллиметра. Массу центра галактики Девы А мы тоже можем оценить, в частности, по измерениям параметров облаков, которые вокруг него обращаются. Оценка не такая точная, как со Стрельцом А, но по астрономическим меркам неплохая. Так вот, у центра Девы А оказалась достаточно большая масса, на уровне 6 миллиардов масс Солнца, и при этом галактика Дева А находится достаточно близко к нам, чтобы угловой размер горизонта событий, а соответственно, и тени черной дыры был достаточно большой и его смог разглядеть Телескоп горизонта событий, EHT. Угловые размеры у близкого к нам, но маленького Стрельца А и далекого, но большого центра M87 оказались примерно одинаковыми и достаточно большими, чтобы их можно было наблюдать. Остальные сверхмассивные черные дыры находятся либо слишком далеко, либо они слишком маленькие.

4. Ожидалось, что исследователи покажут изображения теней обеих черных дыр, но показали только M87. Почему не получилось сфотографировать Стрелец А?

Коротко: Объект в центре нашей галактики сложно наблюдать по двум причинам. Во-первых, он постоянно “вертится”, его изображение меняется раз в несколько часов, а у EHT слишком большая “выдержка”, для снимка нужно наблюдать около 12 часов. Во-вторых, Стрелец А скрыт от нас, как экраном, рассеивающим электромагнитные волны облаком.

Юрий Ковалев: Стрелец А, центр нашей галактики Млечный Путь, является более сложным для наблюдений. Есть две причины. Первую хорошо сформулировал вчера на пресс-конференции Хайно Фальке: представьте, что вы родитель, который пытается сфотографировать свое очень живое чадо, которое постоянно крутится и вертится. Разумеется, у вас все фотографии получаются смазанными. Так вот, центр нашей галактики намного тяжелее не сфотографировать, а, выражаясь правильно, восстановить его изображение. Это связано именно с тем, что он очень сильно и быстро меняется. В центре Млечного пути происходят взрывные, вспышечные процессы, которые имеют характерное время переменности на уровне часа, нескольких часов. А телескоп EHT устроен так, что для получения хорошей картинки используется вращение Земли, поэтому наблюдать нужно подряд 10–12 часов. За это время центр галактики может сильно измениться, он как живой. Вторая проблема – это открытый нашим проектом "Радиоастрон" новый эффект рассеивания, так называемая субструктура рассеивания. Центр галактики скрыт от нас плотным облаком межзвездного газа. Конечно, наблюдение на коротких волнах, 1,3 миллиметра, которые использует EHT, намного меньше подвержено эффекту рассеяния, чем более длинные волны, но все-таки я предположу, что остаточные эффекты должны в данных присутствовать.

Кстати, уже сейчас обсуждается, как бороться с первой проблемой. Основное направление – нужно реализовать наблюдение центра нашей галактики так, чтобы строить изображение за более короткое время, например, раз в час. Можно сказать, нужно сделать фотоаппарат с более короткой выдержкой, но такой, чтобы ее хватило для получения снимка. А что касается рассеяния, необходимо продолжать разбираться в физике этого явления, уточнять характеристики рассеивающего экрана и учитывать их при восстановлении истинного изображения центра нашей галактики. И мы этим занимаемся.

5. Получены ли какие-то интересные результаты, кроме фотографии тени черной дыры?

Коротко: Получение изображения тени черной дыры в галактике M87 – основной результат научной группы, но есть и другие. Удалось уточнить массу черной дыры, получилось проверить, что ее аккреционный диск (диск, из которого материя втягивается в черную дыру – как раз это мы и видим на картинке в виде светящегося кольца) расположен почти плашмя по отношению к нам, благодаря чему тень оказалась почти круглой и хорошо различима. А вот оценить параметры вращения черной дыры, которые очень интересны ученым, пока не удалось.

Юрий Ковалев: Я пока не успел внимательно прочитать все шесть опубликованных работ с результатами, а две из них как раз посвящены сопутствующим теоретическим оценкам и выводам. Но если основываться на том, что было рассказано на пресс-конференции, то, во-первых, удалось независимо оценить массу черной дыры в M87. Раньше были доступны оценки, сделанные по разным косвенным методам в рамках определенных предположений. Теперь научная группа по размеру тени смогла более точно оценить массу сверхмассивной черной дыры – она оказалась равной примерно 6,5 миллиардам масс Солнца. А вот что не получилось, так это измерить спин, то есть характеристики вращения черной дыры. Она почти наверняка вращается (является так называемой керровской черной дырой), но для оценки параметров этого вращения полученных данных не хватило.

Если посмотреть на картинку тени черной дыры, то, что светится, – это результат падения материи, то есть каких-то облаков пыли и газа из так называемого аккреционного диска на черную дыру – вещество падает, в процессе разогревается и светится. Ученые раньше оценивали угол наблюдения джета – то есть угол между направлением, под которым из этой центральной машины вырывается струя релятивистской плазмы (она вылетает перпендикулярно плоскости аккреционного диска), и направлением от нас к Деве А. У меня есть статья по данному вопросу. Так вот получалось, что он составляет примерно 20 градусов, то есть струя (на картинке ее не видно) бьет не совсем нам в глаз, а под небольшим углом. Теперь мы увидели почти сферическую форму тени, и это говорит о том, что оценки были верны – диск расположен почти плашмя по отношению к наблюдателю. Собственно, расположение диска плашмя было одной из причин, по которым именно эта черная дыра была выбрана в качестве объекта наблюдения. Теперь ясно, что ученые были правы в своих оценках.

Кстати, со Стрельцом А ситуация более сложная: никакого выделенного аккреционного диска там нет.

6. У "Радиоастрона" угловое разрешение даже выше, чем у EHT, почему он не сфотографировал тень черной дыры?

Коротко: "Радиоастрон" еще 6 лет назад первым провел подробные наблюдения галактики M87 с экстремальным угловым разрешением. Перед запуском были надежды, что удастся увидеть и тень черной дыры. Но не повезло: излучение на реализованных в проекте длинах волн (самая короткая – 1,3 см, в десять раз длиннее, чем у EHT) слишком сильно поглощается в окрестностях центра галактика Дева А. Для наблюдения теней черных дыр нужны миллиметровые волны – такие, с которыми работает EHT и будет работать перспективный российский космический телескоп “Миллиметрон”.

​Юрий Ковалев: Еще до запуска "Радиоастрона" в космос мы обсуждали задачу поиска тени черной дыры как одну из ключевых задач проекта. Уже тогда было понятно, что для этого нам должно повезти – и нам, к сожалению, не повезло. Первые высокочувствительные наблюдения центра галактики Дева А были организованны на "Радиоастроне" 2 февраля 2013 года. Они велись на самой короткой из доступных для нас длин волн – 1,3 сантиметра, а на Земле их поддерживали, в частности, крупнейшие, самые чувствительные наземные радиотелескопы, работающие на этой волне, – американский 100-метровый GBT и американская решетка VLA, которая эквивалентна 130-метровому зеркалу. Была хорошая погода, и все телескопы не имели технических проблем, так что мы провели идеальные измерения, но сигнал от центра Девы А зарегистрировать не удалось.

Не повезло с физическими условиями. Радиоволны при распространении в космосе сталкиваются с эффектами поглощения и рассеяния. Если смотреть в сторону центра нашей галактики, там есть обе проблемы. А вот по направлению к M87 плотных рассеивающих облаков межзвездной среды нет. Зато поглощение радиоволн в центре Девы А оказалось нашим врагом. Формально угловое разрешение "Радиоастрона" достаточно, чтобы увидеть тень черной дыры, но фотоны, выходящие из центра галактики, поглощаются, проходя через облака тепловой и релятивистской плазмы. Заранее это проверить было невозможно, мы попробовали – не получилось. В итоге были получены интереснейшие результаты про джет Девы А, но для изображения тени черной дыры длины волны 1,3 сантиметра оказалось недостаточно. И эффект поглощения, и эффект рассеяния тем слабее, чем короче длина волны наблюдения. Понятно, что если бороться именно за наблюдения теней черных дыр, нужно сокращать длину волны, но когда готовился "Радиоастрон", наблюдения в миллиметровом спектре были слишком сложной технической задачей. Для этого был с самого начала запланирован следующий проект – "Миллиметрон".

7. Почему российские радиотелескопы не участвовали в наблюдениях EHT в составе общего интерферометра?

Коротко: В России просто нет подходящих радиотелескопов.

Юрий Ковалев: В России нет радиотелескопов, которые способны работать на длине волны 1,3 мм. Первая причина – Россия недостаточно вкладывается в большие инфраструктурные проекты в астрономии на Земле. Вторая причина – географическая. У нас проблема с местами, где имело бы смысл ставить коротковолновые телескопы. Астроклимат подкачал.

8. Что будет дальше?

Коротко: Ученые хотели бы использовать наблюдения теней черных дыр для проверки общей теории относительности. Но для этого принципиально важно точно знать массу черной дыры. Достаточно хорошо мы знаем только массу центра нашей галактики, но изучать этот объект сложно. Вероятно, это придется делать с помощью новых космических телескопов, одним из которых станет "Миллиметрон", который, кстати, будет иметь достаточно хорошие характеристики, чтобы фотографировать черные дыры в других галактиках, в том числе более далеких, чем M87.

​Юрий Ковалев: Открытие тени черной дыры заложило фундамент для решения важнейших задач современной астрофизики. Вот о чем мы мечтаем: измерять спины, то есть параметры вращения чёрных дыр и использовать данные их наблюдений для проверки ОТО в сильном гравитационном поле. Достаточно точно для решения таких задач мы знаем массу только одного объекта – центра нашей галактики, поэтому именно его и нужно изучать для проверки ОТО. Как я уже объяснял выше, с этим связано много проблем, нам еще только предстоит научиться получать изображение тени черной дыры в Стрельце А, изучать то, что происходит в окрестностях центра Млечного пути. Скорее всего – и об этом было сказано на вчерашней пресс-конференции – для этого придется развивать наземно-космическую интерферометрию, то есть запускать новые космические телескопы. Это, вероятно, будут спутники, летающие на не очень большой орбите с коротким периодом обращения. Это позволит синтезировать огромный интерферометр за короткое время. Грубо говоря, добиться короткой выдержки нашего гигантского фотоаппарата. Как все это будет происходить, мы сейчас только начинаем обсуждать. Положительный опыт "Радиоастрона" окажется очень полезен.

У "Миллиметрона" планируются подходящие для этой задачи длины волны и огромное угловое разрешение. Может быть, он станет частью большой общей системы из наземных и космических радиотелескопов. В то же время по своему угловому разрешению "Миллиметрон" будет способен строить изображения теней черных дыр не только для Девы А, но и для более далеких галактик. Возможно, мы получим много новых фотографий черных дыр.