В центре галактики, называемой Мессье 87, на расстоянии около 55 миллионов световых лет, вокруг которой вращается все вещество галактики, находится чудовище: сверхмассивная черная дыра. Приблизительно в 6, 5 миллиардов раз больше массы Солнца черная дыра в центре M87 настолько плотна, что скорость ее ухода или скорость, необходимая для преодоления гравитации объекта, больше скорости света. Соответственно, даже фотоны света не могут сбежать, если они блуждают слишком близко.
Но не позволяйте названию «черная дыра» обмануть вас. «В некотором роде парадокса природы черные дыры, которые не позволяют свету исчезнуть, являются одними из самых ярких объектов во вселенной», - говорит Шеп Доулман, старший научный сотрудник Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и директор проекта Event Horizon Telescope (EHT), международного проекта по прямому изображению сверхмассивной черной дыры с помощью телескопов по всему миру.
Сегодня проект EHT, включающий восемь обсерваторий и более 60 научных учреждений в более чем 20 странах, выпустил первое изображение черной дыры. «Я впервые вижу это изображение прямо сейчас», - говорит Франс Кордова, директор Национального научного фонда (NSF), на пресс-конференции в Национальном пресс-клубе. «И это вызвало слезы на моих глазах. Это очень большое дело ».
Шесть научных работ были также опубликованы сегодня в Astrophysical Journal, детализируя первые прямые наблюдения черной дыры.
Хотя свет сам по себе не может избежать черной дыры, своего рода граница окружает каждую черную дыру, известную как горизонт событий. Все, что выходит за пределы горизонта событий, поглощается черной дырой, но когда газы накапливаются за пределами горизонта событий, они нагреваются до сотен миллиардов градусов, испуская огромное количество радиации по всей галактике. Горизонт событий вокруг черной дыры M87 имеет ширину около 1, 5 световых дней или около 40 миллиардов километров, что примерно соответствует размеру нашей солнечной системы.
«Чего можно ожидать, если вы увидите сверхмассивную черную дыру в центре галактики, и мы думаем, что они существуют в центрах большинства галактик, так это то, что интенсивная гравитация притягивает газ в непосредственной близости к черной дыре, и она нагревается. вверх », - говорит Доулман. «Вы пытаетесь сжать много газа до наименьшего объема, который вы можете себе представить… и весь этот очень очень горячий газ излучает [свет]».
После нескольких лет планирования, проведенного более чем 200 международными учеными, данные, призванные показать первое изображение черной дыры, готовы. Команда собирается для большого открытия - это сейсмический момент в астрофизике.Наблюдения за черной дырой в центре M87 показывают, что она вращается по часовой стрелке. В нижней части изображения, где кольцо света ярче, вращение черной дыры движется к нам, в то время как часть кольца в верхней части изображения удаляется.
Сфотографировать горящий газ, окружающий горизонт событий черной дыры, который астрономы называют черной тенью или ее силуэтом, оказалось непростой задачей. Черная дыра M87 находится в центре галактики, скрытая за яркими звездами и огромными полосами газа и пыли. Чтобы поймать фотоны света, которым удалось избежать гравитационной ямы сверхмассивной черной дыры, притянутой к горизонту событий, прежде чем пролететь 55 миллионов световых лет через M87 и через межгалактическое пространство к Земле, астрономы связали некоторые из самых мощных радиостанций. телескопы, когда-либо построенные для того, чтобы в некотором смысле построить телескоп размером с Землю.
«Существует специальное поле под названием« Очень длинная базовая интерферометрия », в котором вы связываете радиоприемники по всему миру и получаете очень большие увеличения», - говорит Доулман. Радиоастрономические обсерватории, от телескопа Южного полюса до телескопа Гренландии, внесли или будут вносить наблюдения в EHT. «С техникой VLBI, когда вы делаете всю Землю телескопом, вам нужно соединить посуду по обе стороны Земли, используя сеть атомных часов, и это то, что мы делаем».
Телескоп Event Horizon собрал данные для первого изображения черной дыры в 2017 году. Используя атомные часы, чтобы выровнять наблюдения по времени, и суперкомпьютеры, чтобы собрать петабайты данных, ученые могут эффективно достичь разрешения телескопа размером с Землю, но не способность собирать свет, поэтому метод может использоваться только для наблюдения очень ярких объектов. VLBI может собирать радиоволны только на поверхности посуды, которая постоянно вращается вместе с Землей, следя за центром M87.
Большой миллиметровый / субмиллиметровый массив Atacama (ALMA), расположенный в северной части Чили, с видимым Млечным путемESO / Y. Белецкий в небе. ALMA - самая мощная радиообсерватория в сети Event Horizon Telescope. (ESO / Ю. Белецкий) «Вы можете думать об этих телескопах как о маленьких кусочках серебра на зеркале размером с Землю, и, когда они движутся, они просматривают полосы отражательной способности, и поэтому вы заводите вместе или вращаете телескоп размером с Землю - почти строя паутина, как это делает паук », - говорит Доулман.
Телескопы собирают чрезвычайно высокочастотные (КВЧ) радиоволны, почти инфракрасные лучи электромагнитного спектра, с длиной волны 1, 3 миллиметра. По словам Доулмана, частота «просто идеальна» для того, чтобы проделать огромный путь от краев черной дыры до наших радиоприемников. Обсерватории обычно поворачиваются к M87 ночью и в течение месяцев марта и апреля, когда пары атмосферной воды находятся на самом низком уровне.
Телескоп Горизонта событий также наблюдал Стрельца А *, сверхмассивную черную дыру в центре нашей галактики, Млечного Пути. Стрелец A * (произносится как «Стрелец A-звезда») - гораздо менее активная сверхмассивная черная дыра, чем та, что находится в центре M87. Стрелец А *, расположенный на расстоянии около 26 000 световых лет от Земли, достаточно мал, чтобы на небе он был примерно того же размера, что и гораздо дальше M87.
Многие ученые считают, что черные дыры имеют смысл в области теоретической физики, но не могут существовать в реальной жизни. Захват изображения черной дыры изменил бы все это.В дополнение к светящемуся горизонту событий вокруг черной дыры M87 объект выбрасывает струи материала из своих полюсов в космос. «Вы получаете эти струи релятивистских частиц, потому что, конечно, они очень очень энергичные, которые могут течь в течение десятков тысяч световых лет», - говорит Доулман. «Они могут пройти весь путь по всей галактике, и именно это высвобождение энергии в галактическом масштабе может изменить то, как выглядит вся галактика».
Энергия струй, вытекающих из сверхмассивной черной дыры, определяется тем, сколько материи потребляет черная дыра, а также ее вращением, магнитным полем и другими свойствами. «Джетс несет в себе энергию, эквивалентную 10 миллиардам сверхновых», - говорит Сера Маркофф, член научного совета EHT и профессор Амстердамского университета, на пресс-конференции. «Эти причудливые провалы в ткани пространства-времени сами по себе имеют много последствий», - говорит Маркофф. Когда черная дыра извергает огромное количество энергии, она предотвращает образование новых звезд звездами вокруг горизонта событий, препятствуя росту галактик.
В центре черной дыры, в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, находится точка сингулярности, где вся материя объекта конденсируется в объеме, настолько малом, что плотность по существу бесконечна. На этом этапе известные законы физики, как полагают, нарушаются. Однако ближе к горизонту событий ученые будут исследовать форму силуэта черной дыры, чтобы проверить законы относительности.
«Я должен признать, что был немного ошеломлен тем, что он так близко соответствовал нашим предсказаниям», - говорит Эйвери Бродерик, астрофизик из EHT и доцент Университета Ватерлоо, на пресс-конференции. «Это приятно, но немного расстраивает».
Форма света вокруг черной дыры, известная как кольцо фотонов, где свет вращается вокруг центра, служит самым интенсивным испытанием теорий гравитации Эйнштейна, когда-либо проводившихся.
«Одна из причин, по которой вы видите это кольцо света, заключается в том, что на этой орбите фотоны вынуждены двигаться по кругу вокруг черной дыры», - говорит Доулман. «Это действительно необычно - вы берете объект, подобный фотону, который движется так быстро, как все может двигаться во вселенной, быстрее всего вы можете двигаться, и затем вы понимаете, что есть объект, называемый черной дырой, который заставит этот луч света изогнуться в полный круг. И это по сути то, что вы видите. ... А если пройтись по уравнениям Эйнштейна, это очень особенная орбита ».
Наблюдение за кольцом вокруг черной дыры, ее тень на фоне космоса, подтвердило, что теоретическая физика, заложенная более 100 лет назад, все еще остается верной «в одной из самых экстремальных лабораторий, которые нам предоставляет вселенная».
«Я думаю, что это говорит о человеческом духе, честно говоря, что мы можем осуществить его», - говорит Доулман.
Премьера «Охотников за черной дырой» в пятницу, 12 апреля, в 21:00 на Смитсоновском канале.
