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

«Авось пронесет» — не национальная русская черта, а свойство мозга. Нейрофизиология и финансы «Авось пронесет» — не национальная русская черта, а свойство мозга. Нейрофизиология и финансы

Почему мы безалаберно относимся к деньгам и что нам мешает откладывать

СНОБ
«Как мимолётное виденье...» «Как мимолётное виденье...»

Девочке, родившейся в доме Ивана Вульфа, была уготована необычная судьба

Наука и жизнь
На кемадеро в санбенито На кемадеро в санбенито

Инквизиция на долгое время стала чуть ли не символом Испании

Дилетант
Заключенные в сети: как интернет превратился в Большого Брата Заключенные в сети: как интернет превратился в Большого Брата

К 2019 году интернет окончательно стал антиутопией

Популярная механика
Что говорят о нас отношения с деньгами Что говорят о нас отношения с деньгами

По тому, как человек относится к деньгам, можно определить его образ мышления

Psychologies
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
Молчит наука: 9 мифов о Джеймсе Куке Молчит наука: 9 мифов о Джеймсе Куке

Первооткрыватель Австралии и Новой Зеландии, оружие и обед туземцев

Вокруг света
25 вещей, которые никто и никогда не должен хранить у себя дома (пора выкинуть!) 25 вещей, которые никто и никогда не должен хранить у себя дома (пора выкинуть!)

Эти вещи есть у каждого человека в мире

Playboy
Человек и салат: 9 мифов о Юлии Цезаре Человек и салат: 9 мифов о Юлии Цезаре

Правда и мифы о Юлии Цезаре

Вокруг света
Никто не похвалит вас за то, что вы стали лучше Никто не похвалит вас за то, что вы стали лучше

Работая над собой, мы хотим, чтобы окружающие заметили перемены в нас

Psychologies
Памяти 11 сентября: очерк «Падающий человек» о самом известном снимке теракта в башнях-близнецах в Нью-Йорке Памяти 11 сентября: очерк «Падающий человек» о самом известном снимке теракта в башнях-близнецах в Нью-Йорке

О самом известном снимке теракта в башнях-близнецах в Нью-Йорке

Esquire
Как мужчине носить украшения? Как мужчине носить украшения?

Роберт Татеосян советует, как правильно носить украшения

GQ
Почему современные тренды ЗОЖ чаще всего ошибочны Почему современные тренды ЗОЖ чаще всего ошибочны

С чего на самом деле надо начинать заботу о своем здоровье

СНОБ
Эксклюзивная фотоохота: топ-7 лучших приключений в дикой природе Эксклюзивная фотоохота: топ-7 лучших приключений в дикой природе

Когда отпуск может быть интереснее, чем ты рассчитывал

Playboy
Найти свое место в новой реальности Найти свое место в новой реальности

Кого из соискателей при прочих равных выбирают сегодня работодатели?

Psychologies
Почему все помешаны на гороскопах Почему все помешаны на гороскопах

Мы спросили у экспертов, стоит ли доверять судьбу звездам

Vogue
Криптовалюты. Поколение второе Криптовалюты. Поколение второе

От «цифрового золота» к полноценным деньгам

Популярная механика
О чем вам стоит знать, прежде чем резко менять работу О чем вам стоит знать, прежде чем резко менять работу

Полезно узнать истории тех, кто отважился на перемены

Psychologies
Критическое масло Критическое масло

Что это за масло, с чем его едят и не ест ли оно нас тем временем само?

Maxim
Выбираем термопоты: рейтинг лучших моделей 2019 Выбираем термопоты: рейтинг лучших моделей 2019

Термопот может стать реальной альтернативной чайнику

CHIP
Пистолет Лебедева Пистолет Лебедева

Новинка концерна «Калашников» – пистолет Лебедева ПЛ-15

Популярная механика
Макияж и уход в жару — главные правила идеального образа Макияж и уход в жару — главные правила идеального образа

Какой косметикой пользоваться, чтобы адаптировать бьюти-образ к жаре

Cosmopolitan
Неон-киллер Неон-киллер

Евгения Крегжде поразила нас в самое сердце

Maxim
Эпицентр искусства Эпицентр искусства

Всю прошлую неделю только и было разговоров, что о российском кино

Grazia
Рейтинг брендов Рейтинг брендов

Бренды, которые стали заметны на рынке за год

Forbes
Секстинг вместо секса Секстинг вместо секса

Не секстинг виноват в том, что исследователи называют кризисом секса

Playboy
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
7 улётных фактов о фильме «Аэроплан!» 7 улётных фактов о фильме «Аэроплан!»

Общепризнанно один из самых смешных кинофильмов всех времен!

Maxim
Чёрный передел: версия 1939 года Чёрный передел: версия 1939 года

Секретный протокол к Пакту о ненападении

Дилетант
Как наследница миллиардера Бронфмана попала в группу Nxivm, в которой практиковалось сексуальное рабство Как наследница миллиардера Бронфмана попала в группу Nxivm, в которой практиковалось сексуальное рабство

Наследница миллиардера Эдгара Бронфмана Клэр была вовлечена в секту

Forbes
Открыть в приложении