Взгляд в бездну

Согласно сообщению Европейской южной обсерватории, 10 апреля астрофизики сообщат о важных результатах работы Телескопа горизонта событий — крупной сети радиотелескопов. Этот международный проект затевался с целью детального исследования непосредственных окрестностей сверхмассивных черных дыр, расположенных в центрах каждой галактики, в том числе и Млечного Пути. Ожидается, что совместная работа многих телескопов позволит разглядеть саму черную дыру, точнее ее тень. Как менялось наше представление об образе черных дыр, что в этом контексте означает «увидеть» и как здесь помогут радиотелескопы?

Безусловно, наиболее распространенным в массовой культуре изображением черной дыры является образ Гаргантюа в фильме «Интерстеллар», за научную достоверность которого отвечал известный американский астрофизик Кип Торн. Получившаяся картинка действительно изобилует деталями и проявлениями непривычных оптических эффектов. Однако по настоянию режиссера Кристофера Нолана научная точность была частично принесена в жертву зрелищности, что, тем не менее, не превращает результат в абсурдное творение компьютерной графики. Будут ли впервые полученные астрономами изображения хотя бы отдаленно напоминать порождение цифровых технологий?

Черные дыры в некотором смысле остаются объектами гипотетическими, но астрономы практически не сомневаются в их реальности, так как получено огромное количество косвенных свидетельств их существования, начиная от наблюдений тесных двойных систем и до гравитационных волн. Однако непосредственных наблюдений черных дыр до сих пор не существовало.

Это связано в первую очередь с их чрезвычайно малым размером и большой удаленностью: так, силуэт сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, согласно оценкам, должен быть виден под углом около 10 микросекунд дуги. Также существуют дополнительные осложнения: находящиеся рядом объекты могут мешать наблюдениям, а распространяющийся сквозь космическую среду сигнал будет поглощаться или рассеиваться, искажая изображение.

Тем не менее, ученые давно задумались над вопросом о том, как могла бы выглядеть черная дыра, — ведь в смысле гравитации это объект с экстремальными свойствами, у которого должны происходить необычные явления.

В частности, притяжение черной дыры будет значительно искривлять траектории лучей света в окрестности, а время будет течь иначе с точки зрения удаленного наблюдателя. Также изучение теней черных дыр позволит исследовать ряд фундаментальных вопросов, таких как точность предсказаний теории Эйнштейна в случае настолько сильных полей, корректность текущего понимания механизмов выделения энергии в их окрестности и многие другие, в том числе связанные с экзотическими теориями вроде кротовых нор.

Первое научно обоснованное изображение черной дыры получил французский астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) в 1979 году. Так как сама черная дыра по определению не может быть источником света, на изображении показано свечение газа, вращающегося вокруг черной дыры и постепенно падающего в нее — аккреционного диска. На месте самой черной дыры оказывается темнота — тень.

На этой картинке, сделанной при помощи математических выкладок, расчета на раннем компьютере IBM 7040 и туши, уже заметны основные необычные эффекты: видимый почти с ребра светящийся газовый диск оказывается искривлен из-за действия гравитации на траектории лучей света, а все изображение несимметрично, так как с одной стороны значительно усилено из-за движения вещества в сторону наблюдателя, а с противоположной стороны — ослаблено.

Однако это раннее изображение не учитывает рассеяния на межзвездной среде и сделано для всех длин волн одновременно. Настоящие телескопы регистрируют лишь небольшую часть электромагнитного спектра. Более того, работающие в разных диапазонах приборы значительно отличаются друг от друга по оптическим параметрам, таким как разрешающая способность. Оказывается, что единственным подходящим для подобных наблюдений инструментом является сеть радиотелескопов, а наилучшими объектами — сверхмассивные черные дыры в центрах Млечного Пути и галактики M87.

Чем же радиотелескопы выгодно отличаются в данном случае? Во-первых, только в случае длинных волн, таких как радиоизлучение, а также миллиметровые и субмиллиметровые волны, на данный момент возможно полноценное объединение приборов в сеть — интерферометр. Во-вторых, в области радиоволн можно подобрать частоту, на которой галактический центр относительно легко просматривается без чрезмерного рассеяния.

Идея интерферометра заключается в том, что один и тот же объект наблюдают несколько инструментов, а затем их данные с указанным точным временем наблюдений сводятся и совместно обрабатываются. Проведя множество таких сеансов при различных расстояниях между принимающими телескопами, можно с высокой точностью восстановить изображение объекта с таким угловым разрешением, как будто его наблюдал инструмент с размером, равным максимальному расстоянию между приемниками.

Наиболее крупный проект подобного типа — это Телескоп горизонта событий, который представляет собой интерферометр, собирающий данные с распределенных по всему земному шару радиотелескопов. Что сможет увидеть этот комбинированный прибор?

Совместные наблюдения должны обладать разрешающей способностью на уровне 15 микросекунд. Диаметр самого горизонта событий Sgr A* — 10 микросекунд, но излучения не должно быть из области размером примерно 53 микросекунды, потому что настолько близко к черной дыре нет устойчивых орбит, все вещество должно быстро поглощаться ей. Следовательно, мы ожидаем увидеть провал в яркости в центре светящегося пятна — это и будет искомая тень черной дыры, такая особенность предсказывается только в случае подобных объектов.

Следующий важный аспект — неизвестная геометрическая ориентация газового диска. Если его плоскость расположена перпендикулярно лучу зрения, то картина должна быть симметричной, а потемнение в центре будет наиболее заметно.

Если же между направлением к наблюдателю и диском будет другой угол, то изображение окажется более сложным, но и потенциально более информативным, так как искажения формы диска будут зависеть от гравитации, что позволит проверить теоретические модели. В случае малого угла между лучом зрения и плоскостью диска связанные со скоростью движения вещества эффекты будут максимальными, что приведет к настолько большой асимметрии, при которой будет наблюдаться только яркое пятно в форме полумесяца сбоку от положения черной дыры.

Еще одним не до конца известным параметром является темп падения вещества на черную дыру в центре Галактики. Существуют оценки этой величины, но весьма неточные, в то время как она определяет степень активности объекта и, в частности, должна быть связана с возможным наличием джетов — узких струй вещества, с большой скоростью двигающихся от черной дыры перпендикулярно плоскости диска. Такие образования также должны вносить значительную асимметрию в распределение яркости.

Не стоит забывать и о рассеянии на межзвездной среде. Телескоп горизонта событий наблюдает в наиболее благоприятной области субмиллиметровых волн, но и в ней расположенные между нами и центром Млечного Пути облака заметно размоют изображение и сделают его менее четким, скрыв детали. Астрономы хорошо осведомлены об этой проблеме и умеют ее частично преодолевать, то есть улучшать качество получаемых данных, учитывая при обработке известные по другим измерениям параметры межзвездной среды и создаваемое ею искажение. Тем не менее, полностью избавиться от этого эффекта не получится.

В любом случае, мы не увидим картинки, подобной той, что была показана в фильме «Интерстеллар». Во-первых, в ней намеренно не учтены некоторые физические эффекты, а во-вторых, на текущем уровне развития техники нам не хватит разрешающей способности.

Научный консультант фильма Кип Торн, ставший нобелевским лауреатом за открытие гравитационных волн, подробно описывает процесс создания визуального образа черной дыры в книге «Интерстеллар: наука за кадром». Там рассказано как о деталях расчетов, так и о решении режиссера картины Кристофера Нолана не использовать максимально достоверное изображение.

Что же ученые хотят узнать от подобных измерений? Во-первых, как уже говорилось, это позволит протестировать общую теорию относительности и получить очередное, в некотором смысле, наиболее прямое доказательство существования черных дыр.

Во-вторых, ученые хотят лучше разобраться почему одни черные дыры являются центрами колоссальных источников излучения — квазаров, — в то время как другие, в том числе Стрелец A*, ведут себя исключительно скромно и спокойно. С этим связаны как свойства аккреционных дисков из падающего вещества, так и наличие джетов.

В-третьих, будущие более детальные наблюдения помогут проверить экзотические гипотезы, например гипотезу о кротовых норах. В таком случае в центре изображений, где в классическом случае должна быть чернота горизонта событий, могут быть видны отдельные точечные или продолговатые источники — образы объектов с другой стороны туннеля в пространстве-времени.

Тимур Кешелава