«Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы»

Сверхмассивные черные дыры удерживают все, что оказывается поблизости, даже свет. Поэтому и сфотографировать их нельзя. Однако в апреле 2019 года мы увидели первое в истории изображение пусть не самой черной дыры, но ее тени. Журнал Science назвал эту фотографию прорывом года. В книге «Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы» (издательство «Corpus»), переведенной на русский язык Инной Кагановой и Татьяной Лисовской, астрофизик Хайно Фальке, один из главных участников этого проекта, и журналист Йорг Рёмер рассказывают, как ученые получили это изображение, а также что мы знаем и чего не знаем о черных дырах и устройстве Вселенной. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о том, зачем ученые объединяют радиотелескопы в интерферометры.

Глава 8. Как получить изображение

Великая благодать

В середине 1990-х годов мы накинули на нашу добычу сеть и стали постепенно ее затягивать... хотя в ней еще и оставались прорехи. Говоря юридическим языком, когда мы пытались доказать, что черные дыры сеют хаос в центрах галактик, мы полагались только на косвенные улики. Но, как это обычно бывает (и наука тут не исключение), таких улик оказывается недостаточно. Вы должны продолжать собирать факты в поддержку своей гипотезы до тех пор, пока либо все другие теории в какой-то момент обнаружат свою несостоятельность, либо ваша гипотеза будет опровергнута. И многие астрономы — особенно представители старой гвардии — оставались настроенными скептически в отношении нашей идеи и даже наслаждались поднявшимся ажиотажем. «Не хватает доказательств, — повторяли они. — Вы еще слишком далеки от цели». Снова и снова появлялись статьи, в которых утверждалось, что сверхмассивные черные дыры вообще не могут существовать. Чтобы отбиться от критиков, мы — астрономы — мечтали застукать подозреваемого на месте преступления и получить снимок, на котором было бы видно, что он все еще держит свою жертву. Как это было бы здорово!

Я хотел определенности! Больше всего на свете я хотел увидеть черные дыры!

Должно быть, стремление увидеть то, что скрыто, — это врожденная потребность человека, потребность, таящаяся глубоко в нас. Как ученый я верю только в то, что вижу, но прежде всего я должен верить в то, что в конце концов я это увижу.

Желание увидеть снова и снова овладевает моей душой, когда я слушаю старый духовный гимн «О, благодать». Есть всего несколько песен, трогающих меня столь же сильно, как эта... в особенности один стих из нее, который часто заставляет меня прослезиться: «Был мёртв и чудом стал живой, Был слеп и вижу свет».

Момент, когда наши глаза открываются, когда нам внезапно является истина, бесценен. Выйти из тьмы на свет, когда на тебя сходит благодать постижения новой истины, — один из самых ценных опытов нашей жизни. Иногда я думаю, что тот момент озарения, когда я говорю себе: «Наконец-то я вижу!» — это именно то, ради чего живу. Если я знаю, что такой момент наступит когда-нибудь в будущем, у меня появляются силы и я готов трудиться без устали.

Наверное, именно к этому все и сводится и в вере, и в науке: упорно надеяться, что вам будет дозволено обнаружить нечто новое. «Блаженны те, кто не видел, но уверовал». Так Иисус свое отношение к вере, но я всегда считал, что в этом высказывании заключен смысл, который можно выразить словами «Блаженны те, кто пока еще не увидел».

В повседневной жизни люди иногда лучше видят сердцем, но в науке нам требуются инструменты, и инструменты большие. Сегодня в астрономии изображения с самым высоким разрешением получаются с помощью метода радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), который мы все — и мой коллега Томас Кричбаум в Бонне, и я, и многие другие радиоастрономы — используем уже несколько десятилетий.

Начиная с 1960-х годов, ученые принялись соединять отдельные радиотелескопы в интерферометры, чтобы увеличить разрешение изображений. Этот метод в одночасье позволил увидеть детали, которые не мог зарегистрировать ни один отдельный телескоп. В результате получился гигантский инструмент с виртуальной антенной размером с Землю. При использовании этой виртуальной антенны сигналы с отдельных антенн могут быть записаны в компьютер, а затем совмещены.

Совместить радиосигналы нужно так, чтобы их фазы были идеально синхронизированы, а для этого необходимо с точностью почти до миллиметра определить положение отдельных обсерваторий и измерить время прихода сигналов атомными часами. Эти часы работают с пикосекундной точностью, так что через 30000 лет они отстанут всего на одну секунду. Зарегистрированные радиосигналы преобразуются в цифровые и передаются на носитель информации. В прошлом это видеомагнитофонная лента, позже — большие катушки с магнитной лентой, а в настоящее время — жесткие диски, сохраняющие сигналы в виде битов и байтов. Чем больше информации вы можете хранить, тем больше радиосигналов вы сможете зарегистрировать одновременно и тем ценнее будут сохраненные и защищенные материалы. Виртуальный телескоп собирается на компьютере, и — при наличии достаточного количества данных — изображение строится с помощью специальных алгоритмов.

Такие измерения требуют предельной точности, но зато позволяют получить чрезвычайно четкие изображения. По этой причине континентальную интерферометрию используют не только астрономы для исследования небесных объектов. Для съемок и измерений объектов на земле РСДБ-телескопы полезны еще и геодезистам. Однако нам, астрономам, результаты этих наземных съемок тоже нужны, поскольку, как выяснилось, для наших целей стабильность Земли недостаточна высока — ее флуктуации деформируют виртуальный телескоп, а геодезисты отслеживают эти изменения.

Ученые обсерватории Ветцеля в Баварии, обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института под Бостоном и сотрудники других станций по всему миру регулярно определяют положение и направление движения примерно трехсот квазаров, которые хорошо подходят в качестве реперов для геодезических измерений. Квазары теперь являются частью всемирной геодезической сети, и полученные с их помощью данные сопоставляются в Бонне или Хейстеке, причем для этого используются те же методы, что и в астрономии. Таким образом, астрономия и геодезия тесно связаны и постоянно сотрудничают.

Если использовать в качестве реперных источников яркие квазары, такие как 3C 273 и 3C 279, то РСДБ-методом можно даже корректировать работу атомных часов и определять точное положение наших телескопов. Такими же методами геодезисты узнают, как меняется со временем поверхность Земли. Ведь расстояния между континентами не остаются постоянными — например, Америка и Европа каждый год отдаляются друг от друга на несколько сантиметров, а Гавайи со всеми своими телескопами несутся в сторону Азии со скоростью почти 10 сантиметров в год, так что гавайская обсерватория Мауна-Кеа — настоящий скорый поезд на фоне других обсерваторий. Скандинавия — из-за таяния ледников — начала подниматься еще в конце ледникового периода. И даже собор в Кёльне ходит вверх-вниз примерно на 35 сантиметров в день из-за приливов и отливов. (К счастью, это происходит равномерно по всей конструкции, иначе его башни давно бы рухнули нам на головы.) Наш глобальный телескоп раскачивается!

И земная ось тоже качается. Земля подобна сырому яйцу, ось вращения которого подвергается крошечным смещениям при нарушениях равновесия. Другие планеты тянут Землю и заставляют полюса раскачиваться с амплитудой в сотни метров. Океаны также вносят свой вклад, двигаясь взад и вперед, как и воздушные массы, которые циркулируют в околоземной атмосфере. В результате полюса непредсказуемо мигрируют на несколько метров в год, и на какое точно расстояние они переместятся, спрогнозировать невозможно. Многие локации сегодня можно определить с помощью GPS, но другие планеты оказывают влияние и на спутники. Наше абсолютное положение в пространстве можно измерить только РСДБ-методами, а для этого нам нужно знать точные положения телескопов.

изображения, которое может быть достигнуто с помощью интерферометра РСДБ, рассчитывается по следующей формуле:

Угловое разрешение изображения = λ /D.

Это означает, что разрешение равно длине волны радиоизлучения λ (лямбда), деленной на D — максимальное расстояние между телескопами. Чем меньше угловое разрешение, то есть чем оно лучше, тем меньшие объекты вы сможете различить. Если проводить наблюдения на длине волны 1,3 миллиметра и в качестве нашей базы использовать диаметр Земли, равный 12 700 километрам, наилучшее разрешение, которого мы можем достичь на Земле, составит 20 угловых микросекунд, что примерно эквивалентно тому, что мы из Кёльна в Германии разглядим половинку горчичного зерна, находящегося в Нью-Йорке. И вот мы рассчитали размер горизонта событий Стрельца А*, исходя из того, что его масса равна 2,5 миллиона солнечных масс (как предполагалось в то время), и получили его диаметр равным 15 миллионам километров, что в десять раз больше диаметра Солнца. Однако размер этого объекта, помещенного в центр Млечного Пути, если смотреть на него с Земли, будет соответствовать всего лишь четверти горчичного зерна, то есть он составляет 12 угловых микросекунд. Следовательно, его угловой размер слишком мал даже для телескопа с базой, равной диаметру земного шара.

И, думалось мне, это еще оптимистичная оценка, потому что если черная дыра вращается с максимальной скоростью, то есть почти со скоростью света, ее горизонт событий должен уменьшиться вдвое (а то, что каждая черная дыра вращается, как и все звезды и все планеты, — это практически бесспорно). Так значит, видимая часть черной дыры станет еще меньше?

Над всеми этими вопросами я размышлял, сидя в один тоскливый день в боннской институтской библиотеке. Это было в середине 90-х. Просматривая специальную литературу, я неожиданно наткнулся на небольшую статью Джеймса Бардина. Этот американский астрофизик еще в 1973 году задумался о том, что было бы, если бы маленькая черная дыра прошла перед далекой звездой. Тогда эта задача была чисто академическим упражнением, и на самом деле с тех пор мало что изменилось: ведь чтобы увидеть это космическое событие, нужен оптический телескоп, по крайней мере в 100 раз больший, чем Земля. Тем не менее я уже вообразил себе черную тень, проходящую перед этим далеким солнцем, — почти как при транзите Венеры.

Но что-то тут меня смущало. На иллюстрации в конце статьи был изображен кружок, долженствующий показать, насколько большим окажется темное пятно, которое возникнет в результате поглощения света за горизонтом событий. Но круг выглядел слишком большим. Разве эта черная дыра не вращалась? Разве она не должна быть намного меньше, а точнее — в пять раз меньше — диаметра изображенного пятна?

Чем быстрее вращается черная дыра, тем ближе свет может подобраться к ней, когда пролетает мимо. Как будто он крутится на карусели и получает импульс из-за кривизны пространства-времени, в результате чего у него возникает возможность сбежать, в то время как если бы он не получил такого импульса, его поймали бы на более дальних подступах. Я думал, что именно по этой причине вращающиеся черные дыры должны казаться меньше. Но эта черная дыра казалась наблюдателю намного, намного больше, чем радиус горизонта событий.

И вдруг до меня дошло: черные дыры сами себя увеличивают! Они являются гигантскими гравитационными линзами, поскольку если они и умеют что-то делать хорошо, так это искривлять траекторию света. Вращение черной дыры тоже не представляло проблемы, так как, естественно, свет должен был обтекать черную дыру с обеих сторон. Правда, с одной стороны он проходит мимо черной дыры в направлении ее вращения и вплотную приближается к горизонту событий, но с другой стороны он вынужден двигаться против течения пространства-времени, и черная дыра может захватить его за пределами горизонта событий. То есть черная дыра далеко забрасывает сеть, чтобы поймать свет, пытающийся проскочить мимо нее.

И тут словно бы пелена упала с моих глаз. Если рисунок верен, а это рассуждение справедливо и применительно к «моей» черной дыре, то она должна была бы казаться в два с половиной раза больше, чем я полагал прежде даже при лучшем раскладе. Вращалась она или нет, для наблюдения было неважно — значение имела только масса, а ее мы точно знали.

В этом случае Земля (и, соответственно, база нашего интерферометра) оказалась бы для наших целей достаточно большой. Великая благодать! Может быть, я все-таки смогу увидеть «свою» черную дыру! И не только я — все смогут ее увидеть! Эта мысль поразила меня, как вспышка молнии. В моем воображении стала формироваться конкретная картинка. Теперь у меня была четкая цель. Я хотел заглянуть в «пасть» черной дыры! Я встал и начал беспокойно мерить шагами комнату.

Подробнее читайте:
Фальке, Хайно. Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы / Хайно Фальке, Йорг Рёмер; пер. с англ. Инны Кагановой и Татьяны Лисовской. — Москва : Издательство АСТ : CORPUS, 2024. — 368 c. (Книги Политеха).