Но что мы видим на полученном изображении чёрной дыры

Наука и жизньНаука

Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы

Астрономы добились огромного успеха — впервые получили изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. Но что мы видим на полученном изображении, как оно получено и почему выбрана именно галактика М 87?

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов.

0:00 /
1404.031
Художественное изображение чёрной дыры с аккреционным диском, повёрнутым к Земле ребром.

Чёрные дыры — необычные космические объекты, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Они имеют гигантские массы и исключительно компактные размеры. Их гравитация настолько велика, что не позволяет «убежать» от них даже свету. Граница области, которую не может покинуть свет, называется горизонтом событий, а её радиус — гравитационным радиусом. Гравитационный радиус считают размером чёрной дыры.

Если чёрная дыра сферически симметрична и не вращается, её гравитационный радиус можно вычислить по формуле, полученной в 1916 году немецким физиком Карлом Шварцшильдом из общей теории относительности Эйнштейна. Эту расчётную величину называют радиусом Шварцшильда (RS). Чтобы возникла чёрная дыра, массивное тело должно быть сжато до размера меньшего RS. Для Солнца RS около 3 км, а для сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути (Sgr A*) он составляет примерно 12,7 миллиона километров. Это всего лишь в 20 раз больше Солнца. Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М 87 — одна из самых больших среди известных. Для неё радиус Шварцшильда около 20 миллиардов километров, что примерно в четыре раза больше орбиты Нептуна.

Галактика М 87 находится в созвездии Девы. Открыта Шарлем Мессье в 1781 году. Карта создана в программе Stellarium.

Смысл названия «горизонт событий» в том, что информация о событиях, произошедших внутри этого горизонта, никогда не достигнет наблюдателя, находящегося за его пределами, ведь свет от точек внутри горизонта не сможет уйти от чёрной дыры. Эти события находятся для нас как бы за горизонтом.

По происхождению выделяют два вида чёрных дыр. Первый — чёрные дыры звёздной массы, они представляют собой остатки массивных звёзд (массой более 20 масс Солнца), которые взорвались как сверхновые. Это последний этап эволюции звёзд. Второй вид — сверхмассивные чёрные дыры с массами более 100 тысяч масс Солнца. Как они образовались, пока не ясно. По одной из гипотез они сформировались из огромных облаков материи одновременно с галактиками. Другая гипотеза предполагает, что они возникли в результате слияния сталкивающихся чёрных дыр звёздной массы.

«Голую» чёрную дыру увидеть нельзя. Сама она практически не излучает, а падающий свет полностью поглощает, так что даже отражённым светом, подобно Луне, не светит.

Чёрные дыры ранее обнаруживали по мощному излучению из их окрестностей. Благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства. Падающее на чёрную дыру вещество разгоняется до околосветовых скоростей и закручивается вокруг неё, образуя аккреционный диск. Температура плазмы в нём из-за трения достигает миллионов градусов. Поэтому аккреционный диск испускает тепловое излучение. Движение же релятивистских электронов в искривлённом магнитном поле порождает так называемое синхротронное излучение. Часто у таких чёрных дыр возникают выбрасываемые струи плазмы — джеты, тоже движущиеся с огромной скоростью. Диск и джеты — сильнейшие источники излучения во всех диапазонах электромагнитных волн. Аккреционные диски, возникшие около сверхмассивных чёрных дыр в центрах некоторых галактик, — невероятно яркие и могут затмить все остальные миллиарды звёзд этой галактики, вместе взятые.

Доказательством существования чёрных дыр служат и обнаруженные в 2015 году гравитационные волны от их слияния (см. «Наука и жизнь» № 3, 2016 г.).

Что такое телескоп горизонта событий и как он работает?

Даже сверхмассивные чёрные дыры, обнаруженные в центрах многих галактик, в том числе и нашего Млечного Пути, представляют собой сравнительно малые объекты, что до сих пор делало невозможным их прямое наблюдение. Ни один земной телескоп не обладает достаточным разрешением, чтобы разглядеть области такого размера. Напомним, что разрешающая способность зависит от отношения λ/D, где λ — длина волны принимаемого излучения, а D — размер телескопа. Чем меньше длина волны и больше размер телескопа, тем лучше угловое разрешение, тем более мелкие детали он может рассмотреть.

Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) предназначен именно для получения изображений чёрных дыр. Он представляет собой систему из нескольких наземных радиотелескопов, расположенных в разных местах Земли. Использование метода интерферометрии со сверхдлинной базой и вращения нашей планеты позволяет объединить их в единый гигантский телескоп размером с земной шар. Благодаря современным алгоритмам обработки данных EHT достиг углового разрешения порядка 20 микросекунд, что соответствует способности читать заголовки газет на Луне. Для сравнения разрешение телескопа Хаббла диаметром 2,4 метра составляет около 0,05 угловой секунды, что в 2500 раз хуже.

Расположение телескопов ЕНТ, участвовавших в наблюдениях в апреле 2017 года: SMA и JCMT — Гавайи, SMT — США, LMT — Мексика, ALMA и APEX — Чили, SPT — Антарктида и PV (IRAM) — Испания. Сплошные линии показывают пары телескопов, следивших за М 87, пунктирные — за квазаром 3C 279, который использовали для калибровки измерений. Иллюстрация из статьи в «The Astrophysical Journal Letters», Volume 875, Number 1, CC BY 3.0.

Создание EHT было технической задачей величайшей сложности, решение которой потребовало организации и отладки всемирной сети телескопов. Хотя телескопы не связаны друг с другом физически, получаемые ими наблюдательные данные необходимо было очень точно синхронизировать при помощи атомных часов. На подготовительную работу потребовалось 10 лет и 290 миллионов долларов.

Проект EHT — это не только телескопы, но и международный коллектив, в который входят более 200 астрономов из 60 исследовательских организаций Европы, Азии, Африки, Северной и Южной Америки. Чтобы на основе наблюдений получить изображение чёрной дыры, требовались теоретические и имитационные исследования, разработка алгоритмов обработки данных.

В период с 5 по 11 апреля 2017 года EHT наблюдал M 87 в течение четырёх дней. В работе участвовали восемь радиотелескопов: ALMA, APEX (Чили), 30-метровый телескоп IRAM (Испания), телескоп Джеймса Клерка Максвелла JCMT и Субмиллиметровая решётка SMA (Гавайи), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (LMT, Мексика), Субмиллиметровый телескоп (SMT, США) и телескоп на Южном полюсе (SPT, Антарктида).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Жатва Гиппократа Жатва Гиппократа

Что нового в медицине в последние 20 лет начавшегося века

Maxim
Ящики с водкой, биороботы и голые шахтеры: 11 нестыковок в сериале «Чернобыль» Ящики с водкой, биороботы и голые шахтеры: 11 нестыковок в сериале «Чернобыль»

О вопиющих исторических и технических неточностей в сериале «Чернобыль»

Forbes
Сокровища Урарту Сокровища Урарту

Четыре сокровища древнего Урарту

Вокруг света
Крылатая машина: как Форд решил покорить небеса Крылатая машина: как Форд решил покорить небеса

11 июня 1926 года в воздух поднялся первый самолет Генри Форда – Ford Trimotor

Популярная механика
Люди на пределе Люди на пределе

Возможности нашего собственного, среднестатистического тела

Вокруг света
10 женщин в краудфандинге. Рейтинг ForbesWoman 10 женщин в краудфандинге. Рейтинг ForbesWoman

Самые успешные краудфандинговые кампании, запущенные женщинами

Forbes
Электрическая ракета, которая изменит войну Электрическая ракета, которая изменит войну

Барражирующие боеприпасы «Ланцет», которые могут в корне изменить войны будущего

Популярная механика
Тест телевизора Sony KD-75XG8505: хорошее решение для домашнего кинотеатра Тест телевизора Sony KD-75XG8505: хорошее решение для домашнего кинотеатра

Телевизор Sony KD-75XG8505 обладает хорошим оснащением

CHIP
6 шагов к развитию эмоционального интеллекта 6 шагов к развитию эмоционального интеллекта

Как научиться понимать других – и как сделать так, чтобы они лучше понимали нас

Psychologies
Bellingcat назвал людей, предположительно причастных к крушению «Боинга» в Донбассе Bellingcat назвал людей, предположительно причастных к крушению «Боинга» в Донбассе

Организация ссылается на информацию из открытых источников

Forbes
На старт, внимание На старт, внимание

Новую гонку ведущих космических держав можно считать открытой

Популярная механика
«Это важнейшая институция страны». В чем ценность арестованной коллекции Алексея Ананьева «Это важнейшая институция страны». В чем ценность арестованной коллекции Алексея Ананьева

Что мы теряем вместе с закрытием Института русского реалистического искусства

Forbes
Идея! Оставлять чаевые Идея! Оставлять чаевые

Учись правильно благодарить тех, кто оказывает тебе услуги

Maxim
«Каким шампунем пользуется президент?»: вопросы от бизнеса к прямой линии Владимира Путина «Каким шампунем пользуется президент?»: вопросы от бизнеса к прямой линии Владимира Путина

Какие бы вопросы российские предприниматели задали президенту 20 июня

Forbes
Дакота-блюз Дакота-блюз

Жарким летним деньком мы отправились за сцену к певице Рите Дакоте

Maxim
Вас повысили в должности: как не поссориться с коллегами? Вас повысили в должности: как не поссориться с коллегами?

Отношения между коллегами всегда чреваты обидами и неловкими ситуациями

Psychologies
Тайна гибели академика Легасова Тайна гибели академика Легасова

В апреле 1988 года был обнаружен повесившимся Валерий Легасов

Дилетант
В звуках музыки В звуках музыки

Зальцбург притягивает любителей истории, ценителей прекрасного и горнолыжников

Лиза
10 примет времени, изменивших наш быт 10 примет времени, изменивших наш быт

Forbes представляет 10 самых ярких примет нашего времени

Forbes
Пектины и клетчатка: зачем нужны в питании будущей мамы? Пектины и клетчатка: зачем нужны в питании будущей мамы?

Беременные женщины особо чувствительны к неблагоприятным факторам внешней среды

9 месяцев
Правила идеальной лжи: как говорить неправду и выглядеть убедительным Правила идеальной лжи: как говорить неправду и выглядеть убедительным

Обманывать так, чтобы другие поверили, — это тоже своего рода искусство

Psychologies
Одна вокруг света. Как увидеть всю Африку в одном месте Одна вокруг света. Как увидеть всю Африку в одном месте

33-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
«В разводе я обвиняю свекровь» «В разводе я обвиняю свекровь»

Часто мы повторяем сценарии и ролевые модели, заложенные еще в детстве

Psychologies
Желание чего-то иного Желание чего-то иного

Каковы настоящие причины желания все изменить

Psychologies
Терпение лопнуло. Почему Теодор Курентзис ушел из Пермской оперы Терпение лопнуло. Почему Теодор Курентзис ушел из Пермской оперы

Куда исчез бюджет и проект реконструкции нового здания Пермской оперы

Forbes
Мяу по-русски Мяу по-русски

Налаживая связь с человеком, кошки изменили тональность мяуканья

Популярная механика
Визионер гейминга: история разработчика, перевернувшего индустрию видеоигр Визионер гейминга: история разработчика, перевернувшего индустрию видеоигр

Отрывок из книги Терри Вулфа «Кодзима — гений.

Forbes
Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость

Как защититься от хамства, не опускаясь до него?

Psychologies
Музыка: Shortparis Музыка: Shortparis

Shortparis — ошеломляющий музыкальный коллектив, уничтожающий жанровые рамки

Собака.ru
Открыть в приложении