Получен первый снимок Черной дыры

На пресс-конференции Национального научного фонда США 10 апреля 2019 года ученые представили первое в истории изображение черной дыры - речь идет об объекте, расположенном в галактике M87, удаленном от Земли примерно на 53,5 миллионов световых лет. Изображение было получено в рамках проекта Event Horizon Telescope, объединившего радиотелескопы по всему миру, в том числе в США, Мексике, Чили, Испании и Франции.

Проект был запущен для наблюдения за двумя сверхмассивными черными дырами - SgrA* в центре Млечного Пути, удаленной от Земли на 26 тысяч световых лет, и объектом в центре галактики M87, также известна как Virgo A. Предполагается, что SgrA* приблизительно в 4 млн раз массивнее Солнца, тогда как объект в галактике M87, по разным оценкам, превосходит его по массе в 3,5-7,22 млрд раз. Наблюдения были проведены в апреле 2017 года, однако на обработку полученных данных потребовалось два года.

Коллаборация Event Horizon Telescope, связав восемь радиотелескопов на четырех континентах в один огромный радиоинтерферометр, получила самое четкое в истории изображение сверхмассивной черной дыры. Этот объект находится в центре галактики М87 в созвездии Дева. Разрешение картинки оказалось достаточным для того, чтобы увидеть собственно тень черной дыры в центре этого объекта. Заявление коллаборации сопровождало публикация в журнале The Astrophysical Journal Letters сразу шести научных статей о наблюдениях.

Впервые теоретическую возможность существования черной дыры описал в 1915 году физик Карл Шварцшильд, получив точное решение для уравнений Эйнштейна. Хотя концептуально «черную звезду» - достаточно массивный объект, чтобы вторая космическая скорость на его поверхности была равна скорости света, - описал еще британский естествоиспытатель Джон Митчелл. О том, что такие объекты должны быть невидимыми и их, возможно, великое множество во Вселенной, он сообщил в письме Королевскому обществу, но шума его идея не сделала.

Долгое время подобные объекты назывались в астрономии коллапсарами, поскольку возникают, как правило, в результате коллапса массивных звезд. Само имя «Черная дыра» стало популярным уже во второй половине ХХ века, и не все астрофизики ему симпатизировали, поскольку оно опиралось на интерпретацию теории, а не фактические данные наблюдений (такие ученые предпочитали термин «центральная машина»).

Но действительно ли это имя корректно, до публикации фото было неизвестно, - астрономы не получали достаточно хороших снимков подобных объектов, чтобы различить детали в их облике. Стрелец А*, диаметр которого, по последним оценкам, составляет около 60 млн км, на расстоянии 26 тысяч световых лет выглядит как монета на Луне или Земля с Проксимы Центавра.

А черная дыра в центре галактики М87, фотографию которой представила миру коллаборация EHT, - дальше, 55 миллионов световых лет, чем Стрелец А*, но массивнее, 6,5 миллиардов солнечных масс, поэтому для наблюдателя с Земли она кажется объектом примерно того же размера. Ее в отличие от Стрельца А* не закрывает облако межзвездного газа, и потому изображение рассеивается не так сильно.

Снимок получили в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой: грубо говоря, синхронных наблюдений одного объекта с радиотелескопов, находящихся на разных континентах. Сам EHT в этом смысле еще более «невидимый проект», чем Большой адронный коллайдер или LIGO: у радиоастрономов нет какого-то своего инструмента, их телескоп - это сеть уже существующих радиотелескопов, которые вместе собираются в инструмент с зеркалом диаметром в пол-Земли.

Наблюдения проводились в течение нескольких недель весной 2017 и 2018 годов. Все остальное время заняла пересылка данных в центры обработки и восстановление изображения. Каждую секунду наблюдений каждый из телескопов набирал гигабайты данных, суммарный объем исчисляется петабайтами - поэтому передавались они не по Сети, а пересылались на физических носителях. Только год ученые ждали прибытия в центр обработки данных Южного полюса.

Менеджер проекта ЕНТ Рено Тиланус сказал, что каждый телескоп в сети нарабатывает около 1-2 петабайтов данных за неделю наблюдений - из них сначала вычищают шумы, а потом «сводят», занимаются корреляцией: на это уходит в разы больше времени, до двух месяцев. В 2020 году к наблюдениям подключатся еще три телескопа, и суммарный объем данных за несколько дней наблюдений достигнет 15 петабайт.

Представленное изображение сделано по наблюдениям лишь четырех дней в 2017 году. На пресс-конференции ФИАНа рассказали, что и это можно считать огромной удачей. Это значит, что именно столько в окне для наблюдений в восьми точках на планете, включая Южный полюс, была хорошая погода, которая позволила ученым получить чистый снимок. В 2018 году EHT повезло намного меньше - погода в отведенное им время так и не наладилась.

Еще один инструмент подобной «зоркости» у радиоастрономов только один - это российский «Радиоастрон», его зеркало в 30 раз больше, поскольку один из телескопов находится в космосе и в апогее удаляется на дистанцию орбиты Луны. Но он работает на длине волны 1,3 см, что в 10 раз длиннее, чем у EHT. Несмотря на намного более высокое угловое разрешение, ему сложнее «прищуриться» в направлении Стрельца А*, который закрыт для наблюдения в оптическом диапазоне облаком межзвездного газа где-то на полпути между Землей и центром Галактики.

После публикации снимка можно точно сказать, что тени черных дыр можно наблюдать. А также то, что ничего противоречащего общей теории относительности ученым установить не удалось. В ходе пресс-конференции одна из участниц, Моника Мосиброски из Неймегенского университета, снимок черной дыры был получен с использованием ее модели, дыра вращается по часовой стрелке. Плазменный диск вокруг нее практически круглый, это значит, что он почти перпендикулярен плоскости, в которой смотрят на М87* наблюдатели с Земли.