Фотография черной дыры: совсем не фотография и не совсем черной дыры
Анна Веселко
Согласно опросам детей в школах и людей, которые приходят на мероприятия, наиболее частой темой, которая их интересует, являются черные дыры. Неудивительно, что фотография черной дыры всполошила мировую общественность весной прошлого года — событие сразу же записали в историческое и важное в мировом масштабе. Публикуем конспект лекции астрофизика Юрия Ковалева, прошедшей в рамках фестиваля Pint of Science, в которой он рассказывает, чем на самом деле является упомянутая фотография и что она значит для науки.
Юрий Ковалев
Руководитель лаборатории в Физическом институте им. П.Н. Лебедева и Московском физико-техническом институте, лауреат премий имени Ф.А. Бредихина и Вильгельма Бесселя, член-корреспондент РАН
Самостоятельно сделать снимок черной дыры может каждый: для этого нужно купить стаут, ❓ Темный элевый сорт пива, приготовленный с использованием жженого солода. желательно, чтобы пена была не очень объемная и долго держалась, налить его в бокал, засунуть палец по центру бокала, быстро вынуть, сфотографировать. В результате у вас должна получиться прекрасная фотография черной дыры (только палец вынимайте быстрее) — ученым же для этого потребовалась пара десятков лет.
Что такое черная дыра
Черная дыра — это объект, вторая космическая скорость которого равна или больше скорости света, это настолько массивный и компактный объект, что с него ничто не может улететь, включая фотоны, частицы света
Чтобы вы представили себе, насколько это большие объекты, давайте сделаем черную дыру из знакомого, например из Земли. Если мы сожмем Землю, гравитационный радиус для черной дыры, которую мы из нее сделали, будет равен 9 миллиметрам. Если мы сожмем Солнце, сделав из него черную дыру, черная дыра с массой как наше Солнце будет иметь диаметр 6 километров. Под этими тремя километрами гравитационного радиуса ничего нельзя будет увидеть.
Расположение черных дыр
Как сделали фотографию черной дыры
Оптический космический телескоп «Хаббл» имеет угловое разрешение 50 миллисекунд дуги, а изображение тени черной дыры имеет размер в тысячу раз меньше, чем возможности «Хаббла»! Что-то подобное можно сделать и с инфракрасными телескопами, правда, есть сложность в синхронизации, поэтому в инфракрасном диапазоне эту технологию пока не удается довести до желаемого уровня чувствительности.
О «фотографии черной дыры»
«Фотография черной дыры» представляет собой светящееся кольцо вокруг горизонта событий черной дыры, и для того чтобы его увидеть, нужно иметь экстремальное угловое разрешение. Ни один телескоп, который вы когда-либо видели в своей жизни, не в состоянии иметь настолько высокое угловое разрешение, чтобы различить мельчайшие детали таких объектов. Для этого понадобилась целая система — интерферометр.
Итак, то, что получили ученые, — это не фотография, а восстановленное сложными математическими методами по данным наблюдений интерферометра светящееся фотонное кольцо вокруг центральной черной дыры в галактике Дева А
Увидеть саму черную дыру невозможно: она черная, она поглощает весь свет, который излучается вокруг нее, поэтому мы просто видим кольцо из света, который генерирует диск материи, окружающий черную дыру. Система, получившая в результате астрономических наблюдений необходимые данные, чтобы визуализировать черную дыру, называется The Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»). Она состоит из восьми антенн, наиболее важная из которых под именем ALMA находится в Чили на высоте пяти километров над уровнем моря. Она самая большая и, соответственно, самая чувствительная.
То, что измеряет интерферометр, — это не фотография. Это очень хитрые величины, которые позволяют ученым восстановить изображение черной дыры. Представьте, что я строитель, который создает гигантский телескоп размером с планету Земля, и все, что я сделал, — это выстроил каркас и пока не проложил по нему зеркала. Фактически каждая подобная пара телескопов позволяет мне положить на каркас несколько новых зеркал. И чем больше таких пар телескопов участвует в моей системе интерферометра, тем плотнее я заполняю каркас зеркалами и тем больше результатов измерений более высокого качества я получаю, чтобы восстановить изображение исследуемого космического объекта.
Как визуализировали данные интерферометра
Однако интересных для нас параметров черной дыры — например, с какой скоростью она вращается или каковы характеристики диска вокруг нее, который «скармливает» в дыру пыль и газ — получить пока не удается.
О черной дыре в центре галактики Млечный Путь
Чтобы случился прорыв в нашем понимании черных дыр, необходимо исследовать черную дыру в центре нашей Галактики, потому что именно ее массу мы знаем с высокой точностью. ❓ В 2020 году как раз за точное измерение массы центрального компактного объекта в нашей Галактике была дана половина Нобелевской премии по физике.
Что, конечно же, и было сделано, поэтому нам с высочайшей точностью известна масса черной дыры в центре Млечного Пути — речь идет о массе, соответствующей «всего» 4 миллионам масс Солнца. И это немного. Например, размер горизонта событий для Девы А (откуда получено обсуждаемое изображение) равен примерно полутора световых дней. Соответственно, размер горизонта событий для черной дыры в центре нашей Галактики должен быть в тысячу раз меньше: она маленькая, и этого ореол вокруг нее постоянно меняет свой облик.
Получена первая в истории фотография черной дыры
Новости партнеров
В рамках международного проекта «Event Horizon Telescope» астрономам впервые за всю историю наблюдений удалось получить снимок черной дыры, а точнее ее тени, «отбрасываемой» на светящийся диск из перегретого газа и пыли. Неуловимый гравитационный монстр, красующийся на «фотографии века», проживает в сверхгигансткой эллиптической галактике Messier 87 в 54 миллионах световых лет от Земли в направлении созвездия Девы.
«Чтобы получить фотографию черной дыры максимально высокого разрешения мы объединили в одну глобальную сеть восемь мощнейших радиотелескопов, расположенных по всей планете, и направили их в центр галактики Messier 87. Это стало возможным только благодаря международному сотрудничеству и технологическому прогрессу, достигнутому в последние несколько лет», – рассказывает Лучано Реззола, профессор теоретической релятивисткой астрофизики из Франкфуртского университета им. Гете (Германия), один из участников проекта «Event Horizon Telescope».
Существование черных дыр следует из Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, считающейся сегодня стандартной теорией гравитации, неоднократно подтвержденной экспериментально. Они представляют собой области пространства-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Другими словами, все, что подойдет слишком близко черной дыре и будет затянуто за горизонт событий, уже не сможет вырваться обратно.
Однако это теория, и никогда ранее черные дыры, а точнее их тени, не наблюдались напрямую. Проблема в том, что, даже обладая огромными массами, размеры этих объектов не столь велики, чтобы современные телескопы в одиночку могли их рассмотреть с разрешением, позволяющим разделить аккреционный диск, окружающий черную дыру, и горизонт событий.
Чтобы обойти эти технические ограничения несколько лет назад был дан старт проекту «Event Horizon Telescope», целью которого является получения снимков сверхмассивных черных дыр в сердце Млечного Пути и галактики Messier 87. Почему были выбраны именно эти объекты? Все просто. Черная дыра Стрелец А* в нашей Галактике находится ближе всего к Земле, а гигантский монстр в Messier 87 удобен для наблюдений, так как, во-первых, он невероятно массивен, а, во-вторых, сама галактика удачно расположена на небе для отслеживания глобальной сетью.
«В обычной среде мы ожидаем, что свет будет двигаться по прямой. Однако с черной дырой ситуация совсем другая: обладая крайне сильной гравитацией, она отклоняет и изгибает траекторию движения света настолько, что мы фактически можем видеть то, что находится за ней. И, учитывая, что сама по себе черная дыра не излучает свет, ожидаемое изображение представляет собой яркое кольцо, состоящее из всех отклоненных ею лучей. И то, что мы увидели, отлично согласуется с моделями», – добавил Роман Голд из Франкфуртского университета им. Гете, также участник проекта «Event Horizon Telescope».
Всего за 2017 и 2018 года «массив размером с Землю» выполнил около 60 часов наблюдений, собрав в общей сложности примерно 10 петабайт данных. Ученые потратили полтора года, чтобы откалибровать и перепроверить гигантский объем информации и, в итоге, преобразовать его в изображение источника – сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87.
«Такой подвиг когда-то считался невозможным, так как черные дыры отбрасывают небольшие, трудно наблюдаемые тени. Но, разместив телескопы по всему миру для создания телескопа размером с Землю, был достигнут этот беспрецедентный результат, предвещающий новую эпоху в исследовании черных дыр и прокладывающий путь для дальнейших научных прорывов», – прокомментировали событие в Европейской южной обсерватории (ESO), чьи телескопы добавляют ощутимую мощь глобальной сети «Event Horizon Telescope».
Исследователи отмечают, что теперь у них впервые появилась возможность проверить, насколько хорошо наша физика работает в экстремальных средах, понять движение газа и радиационную среду в окрестностях черных дыр, выяснить, какие теории об этих экзотических объектах верны, а какие будут разрушены, а также получить фотографии и внимательно рассмотреть других кандидатов в черные дыры, чтобы определить, все ли они являются таковыми, или же это другие явления, «маскирующиеся» под этих гравитационных монстров.
Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру
Первым делом изучат объект Стрелец А* (4,31 млн солнечных масс, предположительно, чёрная дыра) в центре нашей галактики
Исследователи из лаборатории информатики и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и обсерватории Haystack разработали новый алгоритм, который поможет впервые в истории получить настоящее изображение чёрной дыры. Точнее, той области пространства-времени, в центре которой находится сама чёрная дыра, невидимая по определению.
Конечно, в интернете полно картинок чёрных дыр, и в научно-фантастических фильмах и сериалах мы видели чёрные дыры сотни раз. Но всё это плод фантазии художников, дизайнеров и самих учёных, которые только предполагают, как может выглядеть окружение горизонта событий.
Если расчёты американских радиофизиков верны, и если их усилия поддержат коллеги из других стран, то скоро мы узнаем правду.
«Чёрная дыра находится очень, очень далеко, и это очень компактный объект, — объясняет Кэти Боуман (Katie Bouman), ведущий автор научной работы и аспирантка Массачусетского технологического института. — [Сфотографировать чёрную дыру в центре галактики Млечный Путь] — это как заснять грейпфрут на поверхности Луны, но только с помощью радиотелескопа».
Чёрная дыра в центре нашей галактики находится на расстоянии 26 000 световых лет, она окружена радиоизлучающим газовым облаком диаметром около 1,8 парсек. При этом диаметр самой чёрной дыры оценивается всего в 44 млн км, что сравнимо с радиусом орбиты Меркурия, самой близкой к Солнцу планеты Солнечной системы. Чтобы детектировать настолько далёкий и крошечный объект, требуется телескоп диаметром 10 000 километров. Построить его весьма затруднительно, ведь у Земли диаметр всего 12 742 км.
Поскольку строительство телескопа размером с Землю — не вариант, то пришлось искать другое решение. Учёные разработали алгоритм, который объединяет в единое целое данные с радиотелескопов по всей планете, чтобы отфильтровать шум и построить синтезированное изображение. Проект получил название Event Horizon Telescope: Телескоп горизонта событий.
«У радиоволн масса преимуществ, — говорит Боуман. — Как радиоизлучение проникает сквозь стены, так оно проходит сквозь облака галактической пыли. Мы бы никогда не смогли рассмотреть центр нашей галактики в видимом диапазоне, потому что между нами находится слишком много всего».
Расположение Солнечной системы (в центре жёлтой точки) относительно центра галактики, где расположена сверхмассивная чёрная дыра
Впрочем, из преимуществ радиотелескопов вытекают их недостатки. Из-за необходимости регистрировать очень длинные волны размер антенны должен быть гигантским. Сейчас у самого большого радиотелескопа с одной антенной на Земле диаметр антенны 304 метра. Поэтому для практических целей астрофизики используют радиоинферометры — инструмент для радиоастрономических наблюдений с высоким угловым разрешением, который состоит минимум из двух антенн, разнесённых на расстоянии и связанных между собой кабельной линией связи.
Если взять две антенны, расположенных на расстоянии d (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры редукции можно будет восстановить информацию об источнике с эффективным разрешением
. Такая процедура редукции называется апертурным синтезом.
Фактически, Телескоп горизонта событий и представляет собой такой гигантский радиоинтерферометр.
Боуман с коллегами уже заручились поддержкой шести обсерваторий в разных уголках планеты, которые согласились участвовать в проекте Event Horizon Telescope. В ближайшие недели ожидается подтверждение участия от других обсерваторий.
По плану, сначала радиоинтерферометр испытают на объекте Стрелец А — комплексном радиоисточнике, расположенном в центре нашей галактики. В его состав входят останки сверхновой (Стрелец А Восток), комплекс из трёх газопылевых облаков (Стрелец А Запад) и самое интересное — Стрелец А*, предположительно сверхмассивная чёрная дыра. Она излучает в инфракрасном, рентгеновском и других диапазонах.
Данные от этого объекта будут отфильтрованы от шума и использованы для генерации синтетического изображения чёрной дыры и окружающего пространства.
Разработанный радиофизиками алгоритм для синтеза данных радиотелескопов в одно изображение называется CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors). После тренировки на Стрельце А* его предполагается использовать для наблюдения других больших и маленьких чёрных дыр в разных регионах нашей галактики, а также за её пределами.
Сегодня чёрные дыры регистрируются обсерваториями с помощью компьютерного сканирования, которое записывает яркие вспышки света, например, при поглощении звезды, из которой чёрная дыра «высасывает» плазму.
Полученные координаты будут использовать для направления радиоинтерферометра Event Horizon Telescope и обучения алгоритма CHIRP методами, которые сейчас используются в алгоритмах машинного зрения. Со временем программа сумеет самостоятельно обнаруживать такие паттерны.
Научная работа группы исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и обсерватории Haystack с подробностями разработанного алгоритма будет представлена 27 июня 2016 года на Конференции по компьютерному зрению и распознаванию образов (Conference on Computer Vision and Pattern Recognition) в Лас-Вегасе. После этого другие учёные получат возможность проверить расчёты американских коллег и, если всё правильно, то первое изображение чёрной дыры мы получим примерно через год.
Темная сила Ученым впервые удалось увидеть черную дыру. Что это даст человечеству?
10 апреля мир впервые увидел черную дыру на фотографии. Этот сверхмассивный объект находится на расстоянии 53 миллионов световых лет от Земли и выглядит как темный круг с оранжевым ореолом. Несмотря на то что многие знают, на что похожа черная дыра, до этого все ее изображения были реконструкциями, основанными на решениях уравнений Эйнштейна. Теперь же ученые уверены: черные дыры действительно выглядят так, как их представляли. «Лента.ру» рассказывает, как был сделан снимок и что это значит для науки.
Невидимые монстры
Черная дыра, названная гавайским именем Поэхи (Powehi) — «украшенное темным источником бездонное творение», — находится так далеко от Земли, что разглядеть ее в деталях с помощью одного радиотелескопа невозможно. Как и другие черные дыры, она представляет собой объект огромной плотности (если рассматривать ее центральную точку, а не весь объем сферы Шварцшильда) и обладает настолько мощной гравитацией, что сворачивает вокруг себя пространственно-временной континуум. Искривление настолько велико, что образуется область, из которой наружу не ведет ни одна из возможных траекторий. Граница этой области называется горизонтом событий, и все, что проникает за него (включая видимый свет и другие электромагнитные волны), обратно вернуться уже не может.
В последние десятилетия ученые не сомневались в существовании черных дыр, хотя сама природа этих объектов препятствует непосредственному их наблюдению. Исследователи применяли косвенные методы, в том числе наблюдение за объектами, которые вращаются вокруг пустых областей космоса, или измерение массы и размеров объектов, являющихся источниками интенсивного излучения. Но разглядеть черноту горизонта событий на ярком фоне звезд и газа до сих пор не удавалось никому.
По кусочкам
Чтобы сфотографировать черную дыру, необходим телескоп размером с Землю и еще один важный инструмент — алгоритм, который сведет данные в итоговое изображение. Кэти Боуман — одна из исследователей, работавших над этим алгоритмом, еще студенткой пыталась научить компьютеры распознавать образы на основе зашумленной информации. Вместе с научным руководителем Биллом Фриманом она разработала метод, позволяющий распознать объекты, «зашифрованные» в полутенях, которые отбрасывают углы зданий. В результате становилось возможным увидеть то, что находилось за этими углами.
Event Horizon Telescope — это объединенная сеть из восьми обсерваторий по всему миру, чьи радиотелескопы синхронизированы по сверхточным атомным часам. Несмотря на то что они работают как один огромный телескоп диаметром 10 тысяч километров, такая система по количеству получаемой информации все-таки значительно уступает воображаемому радиотелескопу с тарелкой аналогичного размера. Это ограничение удается немного преодолеть из-за вращения Земли вокруг своей оси, благодаря чему можно собрать еще немного радиоволн. Основная проблема в том, что итоговое изображение будет все равно сильно зашумленным. Алгоритм Кэти Боуман позволяет убрать шумы и построить приемлемую картину.
Полученную радиотелескопами информацию можно интерпретировать по-разному и сгенерировать таким образом целый «зоопарк» изображений. Однако не следует думать, что исследователи просто притянули результат к своим представлениям о том, как должна выглядеть черная дыра. Существуют строгие ограничения, продиктованные тем, что астрономам известно о космосе. Ученые знают, на что должны быть похожи астрономические объекты и на что они не похожи. Это позволяет отсеять огромное количество вариантов, изображающих то, что не может находиться в центре галактик.
Допустим, мы запускаем симуляцию, в которой генерируется черная дыра в соответствии с предсказаниями теории относительности Эйнштейна, после чего экзотический объект помещается в центр Млечного Пути. В результате моделируются данные, которые в этом случае должен получить Event Horizon Telescope. Если бы черная дыра на самом деле выглядела иначе (или ее вообще не было), данные телескопов были бы совершенно другими и алгоритм Боуман мог бы получить совершенно другие изображения.
Алгоритм, в свою очередь, подобен сборщику пазла. Он анализирует скудные данные, полученные телескопами, и выстраивает на их основе общую картинку, используя фрагменты тысяч введенных в него изображений космических и даже земных объектов. Если из различных наборов изображений получается именно изображение черной дыры (которую мы симулировали), то ученые могут быть уверены, что алгоритм работает правильно.
То есть в какой-то степени реконструированная фотография черной дыры является коллажем из фрагментов различных снимков, даже повседневных. Если бы алгоритм был плохим, результат сильно бы зависел от набора введенных изображений, и вместо черной дыры исследователи получили бы, например, фотографию со свадебной церемонии.
Все сошлось
Полученное изображение сверхмассивной черной дыры в галактике М87 соответствует предсказаниям теории относительности Эйнштейна, позволяющей определить массу и диаметр этого экзотического объекта. Размером она превосходит Солнечную систему и достигает 40 миллиардов километров. Кроме того, она содержит массу 6,5 миллиарда Солнц. Однако самое примечательное в той фотографии, ради чего она и была сделана, это темный круг в центре раскрашенного в условные цвета ореола. Это тень черной дыры, которая соответствует горизонту событий.
Саму черную дыру невозможно увидеть, однако ее тень хорошо различима на фоне поглощаемого вещества. На Землю смотрит полюс Поэхи, поэтому астрономы видят раскаленный газ, вращающийся вокруг черной дыры, «сверху». Однако даже если бы черная дыра была видна сбоку, расчеты показывают, что вещество движется по таким траекториям, что тень все равно была бы видна. Интересно, что по форме тени можно определить различные свойства черной дыры (например, является ли она вращающейся) и отличить ее от червоточины (кротовой норы).
Будущие свершения
Чтобы узнать новые детали о космическом монстре в М87, ученым предстоит подробно изучить фотографию. Кроме того, сейчас исследователи заняты обработкой данных, полученных при наблюдении центра Млечного Пути, где находится черная дыра Sgr A*. Вполне возможно, что скоро будет опубликован более впечатляющий снимок сверхмассивной черной дыры, располагающейся куда ближе Поэхи, «всего лишь» в 25 тысячах световых лет от Земли. Поскольку Млечный Путь намного спокойнее эллиптической и активной М87, то астрономы смогут узнать больше о поведении черных дыр в различной среде.
В будущем астрономы получат еще больше инструментов, которые войдут в сеть Event Horizon Telescope. Так, национальная обсерватория Китт-Пик в штате Аризона (США) и миллиметровая решетка NOEMA во французских Альпах присоединятся к проекту в 2020 году. Это позволит лучше рассмотреть процессы, протекающие в непосредственной близости к черной дыре. К ним относится релятивистская струя, которая выбрасывается из ядра М87 и простирается на пять тысяч световых лет. А использование электромагнитного излучения чуть большей частоты должно несколько повысить четкость новых фотографий.
К сожалению, Россия остается на обочине и не участвует в проекте. По словам Вячеслава Докучаева, ведущего научного сотрудника Института ядерных исследований РАН, у страны нет радиотелескопа миллиметрового диапазона, который можно было бы сделать частью Event Horizon Telescope.
