Там дыра

Полвека назад астрономы впервые высказали гипотезу, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра. В подтверждение этой версии говорит множество данных, даже масса этого компактного и не излучающего объекта подсчитана, но только вчера, 12 мая 2022 года, мы смогли в лицо увидеть тьму в самом сердце Млечного Пути. О том, как ученые получили этот снимок и что на нем можно разглядеть, рассказывает Михаил Лисаков, сотрудник Института радиоастрономии Общества Макса Планка и Астрокосмического центра ФИАН.

Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) — это более 300 ученых и десяток радиообсерваторий, объединенных в одну глобальную сеть, которая работает как один огромный радиотелескоп. Его задача, как видно из названия, — как можно более детально исследовать сверхмассивные черные дыры, с таким угловым разрешением, при котором можно увидеть их горизонт событий.

Свой первый результат EHT представил в 2019 году — тогда коллаборация получила снимок тени черной дыры в центре галактики M87 (мы рассказывали об этом в материале «Заглянуть за горизонт»). Однако данные, необходимые, чтобы построить это изображения, астрономы получили еще весной 2017 года. Два года ушло на калибровку данных, разработку моделей и новых методов построения изображений.

Данные для получения изображения тени Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, коллаборация собрала тогда же, в апреле 2017-го. Почему на то, чтобы показать его, ученым понадобилось еще три года?

Чем отличаются сверхмассивные черные дыры в M87 и Млечном Пути?

Сверхмассивная черная дыра, которую EHT продемонстрировал в 2019 году, — гигант, одна из самых массивных известных нам черных дыр. Ее масса в 6,5 миллиарда больше массы Солнца. Ее дом — гигантская эллиптическая галактика Дева А (Мессье 87) в центре сверхскопления Девы, это в 55 миллионах световых лет от Земли. Черная дыра в М87 окружена аккреционным диском и испускает релятивистские джеты — струи заряженных частиц, двигающихся со скоростью, близкой к скорости света. Джеты в M87 хорошо видны во всем диапазоне электромагнитного спектра.

Наша черная дыра Стрелец А* (Sagittarius A*) — гораздо более обыкновенная, во Вселенной таких большинство. Она намного ближе, на расстоянии 27 тысяч световых лет от нас, а ее масса на три порядка меньше, чем у черной дыры в М87 — около 4 миллионов масс Солнца. Темп аккреции вещества на SgrA* также существенно меньше, и ничто не свидетельствует о том, что она испускает джеты.

Но она к нам ближе всего. И мы еще в 1990-х годах смогли точно определить ее массу: астрономы изучили орбиты звезд, двигающихся вокруг SgrA*, и по параметрам этих орбит подсчитали массу. При этом результаты двух групп, полученные независимо на двух различных телескопах, сошлись с хорошей точностью. В 2020 году за эту работу была присуждена Нобелевская премия по физике (подробнее читайте в нашем материале «И все-таки они существуют»).

Черная дыра в центре M87 примерно в тысячу раз тяжелее, чем SgrA*, но и в тысячу раз дальше. Поскольку размер горизонта событий черной дыры прямо пропорционален ее массе, а угловой размер на небе обратно пропорционален расстоянию, изображения теней обеих черных дыр должны быть примерно одного размера. Но получить картинку с SgrA* оказалось гораздо сложнее.

• Во-первых, мы находимся в плоскости диска Млечного Пути и нам приходится смотреть в его центр через плотные облака газа и пыли, которые находятся на пути излучения. 

Проходя через эти облака, излучение ослабляется и изображение становится более размытым, возникают субструктуры пятна рассеяния, обнаруженные российским телескопом «Радиоастрон» (читайте об этом в материале «„Радиоастрону“ пять лет»). И поглощение, и искажение излучения приходится учитывать при построении финального изображения. Эти эффекты были теоретически предсказаны ранее, но для большинства других активных ядер галактик они малы, и на практике их почти никогда не учитывают. Поэтому в коллаборации EHT пришлось разрабатывать методы учета таких искажений, чтобы в итоге получить четкие изображения.

• Во-вторых, поскольку SgrA* меньше, чем M87*, все процессы в ней происходят быстрее.

«Для М87 размер горизонта событий — примерно полтора световых дня, и поэтому на этом масштабе картинка этого бублика меняется очень медленно. Если представить, что вы снимаете черную дыру в М87 обычным фотоаппаратом, то это означало бы, что вы можете держать затвор открытым восемь-девять часов. За это время картинка почти не изменится, и вы сможете спокойно все данные, собранные за этот период использовать для синтеза единого изображения, — объясняет в беседе с N + 1 Юрий Ковалев из АКЦ ФИАН. — Для черной дыры в центре нашей Галактики это совсем не так, там картина меняется намного быстрее, и это основная причина, по которой нашим коллегам потребовалось так много времени».

Размер тени SgrA* — около десяти световых минут, говорит он, то есть за несколько десятков минут движение плазмы и газа меняет картинку, а телескоп не успевает за такую короткую выдержку получить изображение.

Обычно сеанс наблюдений одного объекта с помощью EHT продолжаются 10–12 часов, но даже за один час структура кольца вокруг SgrA* может полностью измениться. Поэтому получилось так, что радиоастрономы получили множество кусочков мозаики, но все они относились к разным картинкам, потому что пока они получали эти фрагменты, изображение менялось.

Чтобы собрать из них единое изображение потребовалось пять лет.

«Участники коллаборации сгенерировали огромное количество моделей, и короткие кусочки наблюдательных данных сравнивали с результатами, которые давали разные модели и пытались выяснить, какой класс моделей лучше подходит к данным. Они нашли четыре кластера моделей, четыре типа изображений, которые согласовывались лучше всего», — говорит Ковалев.

Из этих четырех кластеров было построено финальное изображение.

Если бы EHT состоял из 100 телескопов, изменчивость SgrA* не была бы проблемой. Ученые могли бы получать качественные изображения каждые 10 минут и за одну наблюдательную сессию сделать целый фильм о том, как живет и меняется черная дыра.

Но в EHT в 2017 году было всего восемь телескопов, и для построения качественного изображения пришлось использовать вращение Земли. Благодаря ему проекция базы каждой пары телескопов меняется со временем, поэтому количество измеренных за одно наблюдение различных угловых масштабов достаточно для простого построения изображения при условии, что это изображение не меняется. Как мы знаем, для SgrA* это не так.

В будущих наблюдениях, увеличив число телескопов в составе EHT, можно будет действительно сделать видео поведения вещества вокруг черной дыры. Это позволит не только уточнить параметры самой черной дыры, но и лучше понять физику аккрецирующей плазмы.

В чем сюрприз

Как и в случае M87, изображение центра нашей Галактики выглядит как яркое кольцо с темной зоной в середине. Сами черные дыры не излучают, но вещество, которое падает на них, разогревается и ярко светится. При этом гравитация черной дыры, как линза, фокусирует излучение окружающего газа, только не за счет разницы в показателях преломления, а за счет гравитационного искривления траекторий фотонов.

«Бублики», которые мы видим в сердце М87 и Млечного Пути, создает радиоизлучение, которое испускают разогнанные до релятивистских скоростей заряженные частицы.

«Чтобы получить излучение в радиодиапазоне, надо ускорить заряженные частицы до скорости, близкой к скорости света, — объясняет Ковалев. — Мы видим фотоны от частиц, разогнанных в магнитном поле. Кроме того, мы видим фотоны, которые черная дыра не захватила, но на направление движения которых она повлияла — в большей или меньшей степени. Там есть фотоны, которые сделали оборот, два оборота вокруг черной дыры».

Фотоны, которые обернулись один или два раза вокруг черной дыры, выглядят для нас как тонкое светящееся фотонное кольцо. Его предсказывал Давид Гильберт еще в 1916 году, сразу после опубликования Общей теории относительности Эйнштейна.

«То что мы видим — это фотонное кольцо плюс другое излучение вещества, линзированное черной дырой. И все это размыто неидеальным угловым разрешением телескопа», — говорит Ковалев.

А вот темное пятно в центре — это как то, что мы не видим. Все фотоны из этой области так и не смогли избежать свидания с чёрной дырой и провалились под горизонт событий.

Сходство изображений из М87 и из центра нашей Галактики, вообще, — большой сюрприз. Почему-то ось вращения обеих черных дыр оказалась ориентирована почти одинаково — примерно в сторону нашей планеты.

«Удивительно, что обе эти картинки выглядит как колечки, на которые мы смотрим сверху. Почему оно не выглядит как сосиска, почему оно не выглядит как эллипс, почему оно почти круглое? Почему мы не видим это кольцо с ребра, под углом? — рассуждает Ковалёв. — Вероятность того, что это изображение будет таким, была не очень-то высокой. А так все выглядит, как будто бы SgrA* и материя вокруг него знают, откуда мы на них смотрим и повернулись так, чтобы выглядеть для нас красивее всего».

Он объясняет, что в случае с М87 это было ожидаемо: ученые знали, куда смотрит джет ее черной дыры. «Ее так и подбирали, по джету, мы знали, что ее ось вращения смотрит на нас под углом 16–18 градусов. Там все было подобрано заранее. А тут нам повезло», — продолжает ученый.

Что мы узнали?

В 2002 году группа Райнарда Генцеля и группа Андреа Гез по результатам 10 лет наблюдения движения звезд в окрестностях центра нашей Галактики выяснили, что там находится объект массой около четырех миллионов масс Солнца, в области размером около 10 миллиардов километров. Это стало почти неопровержимым доказательством присутствия там сверхмассивной черной дыры: астрофизики не знают другого способа уместить такую массу в такой маленький объем, да еще и так, чтобы этот объект ничего не излучал.

Благодаря EHT астрономы смогли уточнить размеры этой области. Теперь мы понимаем, что тень черной дыры имеет примерно 60 миллионов километров в поперечнике, — это сравнимо с размерами орбиты Меркурия. Если заменить Солнце на черную дыру SgrA*, то Земля двигалась бы по орбите в 2000 раз быстрее, а год длился бы 4,5 часа.

Кроме того, оба измерения дали согласованные значения массы, которые в свою очередь согласуются с предсказаниями теории относительности. Это позволяет опровергнуть многие (но не все) альтернативные гипотезы о природе компактного объекта в центре Галактики, например, голую сингулярность, некоторые модели бозонных звезд. Все эти гипотезы не вписываются в наблюдаемую картину.

Но нельзя сказать, что наблюдения EHT позволили существенно уточнить наши представления о сверхмассивной черной дыре в центре Млечного пути. Пока речь идет только о подтверждении наших гипотез.

«Мы только в начале пути. С момента открытия реликтового излучения до времени, когда измерения реликтового фона позволили существенно уточнить наши космологические представления, прошло почти 40 лет», — напоминает Ковалев.

Сотрудник Астрокосмического центра ФИАН Павел Иванов отмечает, что EHT подтвердил, что масса черной дыры близка к четырем миллионам масс Солнца. «Но говорить об улучшении точности ее определения по сравнению с результатами, полученными из наблюдений движения ярких звезд, находящихся достаточно близко к черной дыре, не приходится», — сказал он в переписке с N + 1.

«Наблюдения на Телескопе горизонта событий этих двух черных дыр близки к пределу разрешающей способности системы. А из-за несовершенства современных теоретических моделей, с которыми сравниваются наблюдения, пока мы можем говорить только о качественном соответствии наблюдений нашим представлениям», — считает Иванов.

Что дальше?

В апреле 2017 года, когда EHT получил данные, по которым были собраны изображения теней черных дыр в Млечном Пути и М87, ученые с его помощью наблюдали еще и много других объектов: галактику Центавр А, блазары 3C 279, OJ 287. Некоторые другие активные галактики наблюдались также в 2021 и 2022 годах. Поэтому можно ожидать, что результаты этих наблюдений также скоро будут представлены.

Кроме того, сам Телескоп горизонта событий постепенно растет. С 2017 года в состав EHT вошли три новых телескопа — в Гренландии, Аризоне и Франции, — а чувствительность всех телескопов стала лучше на 40 процентов. Ученые уже провели первые наблюдения на частоте 345 гигагерц.

По сравнению с 2017 годом Телескоп теперь может наблюдать объекты в два раза меньшие и в 2,5 раза более тусклые. Кроме того, излучение на новой частоте 345 гигагерц менее подвержено рассеянию, чем на прошлых 230 гигагерц, поэтому следующие изображения будут четче.

Например, ожидается, что наблюдения 2021–2022 годов позволят ученым детально разглядеть область, откуда исходит релятивистский джет черной дыры в центре галактики M87.

В планах коллаборации, очевидно, — построить изображение SgrA* в линейно поляризованном свете, а также детектировать круговую поляризацию черной дыры в M87. Это можно сделать по уже имеющимся данным, так что ученые из EHT займутся этим в ближайшее время. Черные дыры не могут иметь собственного магнитного поля, зато мы сможем увидеть его формирование в аккреционном диске и то, как оно участвует в запуске и ускорении релятивистского выброса. Наблюдение поляризованного излучения — это тот ключик, который откроет дверь к измерению магнитных полей в ближайших окрестностях черных дыр. Измерив их, мы сможем окончательно опровергнуть все модели, альтернативные черным дырам, и, наконец, понять, как они запускают релятивистские джеты.

Михаил Лисаков