Сможет ли Телескоп горизонта событий увидеть черную дыру
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?
Определение черной дыры гласит: это объект с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может отдалиться от него на бесконечное расстояние. Так как скорость света является предельной скоростью движения любого материального объекта, то из черной дыры не может выбраться никакое тело. Сама концепция таких объектов тесно связана с современным взглядом на гравитацию — общей теорией относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна — и представлением тяготения в ней через искривление пространства-времени.
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.
Центральный объект нашей Галактики, Стрелец A* или Sgr A* — достаточно яркий и компактный источник радиоизлучения. Он излучает и в инфракрасной, рентгеновской и других частях спектра, но в оптическом диапазоне он фактически невидим из-за очень сильного поглощения света межзвездной пылью. Изучать Sgr A* начали еще в середине XX века, но лучше всего понимать его природу мы стали в конце века с открытием звезд на его орбите. Слежение за ними позволило с высокой точностью определить массу центрального тела, которая оказалась равна примерно четырем миллионам солнечных. По современным представлениям, наилучшим кандидатом на роль объекта с такой большой массой и при этом настолько маленького размера является черная дыра. Существует ряд более экзотических вариантов, таких как Q-шары и кротовые норы, но они существуют лишь в специфических теориях и не могут считаться общепризнанными.
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