Проект «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) уже подарил миру первую настоящую фотографию сверхмассивной черной дыры в 2019 году. Тогда эта радиофотография произвела взрыв в научном сообществе, аналогичный мощности сверхновой. Уже ставшее культовым размытое фото оранжевого «нечто» продемонстрировало нам объект, вращающийся в центре галактики Мессье 87 или просто М87, находящейся в 55 миллионах световых лет от нашей планеты. Этим открытием ученые из EHT еще раз подтвердили общую теорию относительности Эйнштейна, на шаг приблизив нас к пониманию устройства Вселенной.
Сегодня, в 2022-ом та же команда исследователей космоса показала нам новое невероятное изображение сверхмассивной черной дыры Стрелец А* (Sgr A*), находящейся в центре нашей галактики Млечный Путь, всего в 26 000 световых лет от Земли.
Смотрите, она прямо здесь, на нашем заднем дворе.
Данный объект расположен намного ближе к нам, чем M87. В сравнении с первой черной дырой, до этой просто рукой подать. Стрелец А* не просто так называется сверхмассивной, ведь она в 4 миллиона раз больше нашего Солнца. Ее существование было хоть и весьма вероятным, согласно наблюдениям за движением других объектов в галактике, но все же предположением на протяжении многих десятков лет. И теперь мы можем взглянуть на тень этой черной дыры своими глазами, чтобы убедиться в реальности существования того, что находится в самом сердце нашего галактического дома.
«До сих пор у нас не было прямых доказательств того, что Sgr A* действительно является черной дырой», — сказала Ферьял Озель, астроном из Аризонского университета и член EHT на пресс-конференции, где она выступала с заявлением о данном открытии. Ученая также добавила: «Яркое кольцо на фото, окружающее тьму, – изображение тени черной дыры, а значит и прямое доказательство ее существования».
Новая фотография черной дыры позволила ученым узнать еще чуть больше об этих загадочных и манящих объектах Вселенной. «Мы все еще не знаем, как эти сверхмассивные черные дыры появились и почему стали настолько огромными. Поэтому в данной области нам предстоит изучить еще много всего», - заявляет Мередит Кларк Пауэлл, исследовательница из Стэндфордского университета.
Здесь стоит сделать ремарку на то, что это не совсем фото черной дыры, потому что просто сфотографировать ее нельзя никаким оборудованием. Ее вообще нельзя увидеть, так как подобные объекты настолько большие и плотные, что их гравитационного притяжения не может избежать ничто, даже свет. А если что-то совсем не отражает свет, то и увидеть его невозможно. Поэтому мы можем наблюдать лишь силуэт, тень черной дыры. Если сверхмассивная дыра окружена облаком газа и пыли, как Sgr A*, то оно будет светиться из-за ускорения и нагрева материала под действием гравитации объекта. Поэтому изображение, показанное EHT, является лишь тенью черной дыры на фоне светящегося облака из газа и космической пыли.
Сфотографировать тень черной дыры – сложная задача.
Раз уже мы начали говорить откровенно, стоит упомянуть, что фотография черной дыры в центре нашей галактики не совсем является фотографией. Видите ли, чтобы напрямую сфотографировать нечто (пусть и настолько большое), находящееся в 26 000 световых лет от нас, понадобится телескоп, линза которого будет размером с саму Землю. Построить такое оборудование, мягко говоря, тяжеловато, поэтому ученые придумали вариант попроще (если здесь вообще уместно это слово). Проект «Телескоп горизонта событий» на самом деле не телескоп. Он объединяет несколько больших радиотарелок, расположенных на пяти континентах. Все они работают вместе, наблюдая за одним объектом так, будто являются цельным телескопом размером с планету. Эти тарелки передают данные, которые исследователи из EHT собирают воедино, чтобы создать цельное изображение буквально по крупицам.
Точно так же восемь радиоантенн EHT целую неделю наблюдали за черной дырой М87 в апреле 2017 года. Затем ученым понадобилось два года, чтобы разобраться в полученных данных и «склеить» их в фотографию, опубликованную в апреле 2019-го. Тогда EHT и начал наблюдать за Стрельцом А*, однако создание этого фото оказалось куда более сложным и долгим.
«Сделать снимок с помощью EHT — это все равно, что слушать песню, играемую на пианино, в котором много недостающих клавиш», — сказала во время пресс-конференции Кэти Боуман, астроном из Калифорнийского технологического института.
Несмотря на то, что Sgr A* намного ближе к Земле, чем M87, она меньше и не так активно. Более того, облако пыли и газа, окружающее ее, намного тусклее, поэтому наблюдать за объектом очень непросто. Также исследованию мешали странные вспышки кольца вокруг Sgr A*, которые возникают из-за резкого ускорения частиц. И пусть это наверняка очень красивое световое шоу, оно меняет состав черной дыры каждые пару часов, что затрудняет наблюдение. Материал, который вращается вблизи горизонта событий черной дыры, движется очень быстро, поэтому кажется, что она меняется в реальном времени.
«Когда мы собирали данные, из-за вращения самой Земли материал вокруг Sgr A* вращался так быстро, что ее внешний вид мог меняться каждую минуту», — сказала Боуман.
Команда EHT собрала около 3,5 петабайт данных о Стрельце А*.
Наблюдать за Sgr A* сложно еще и потому, что черная дыра находится в нашей галактике. Весьма трудно всматриваться в нашу галактическую плоскость из-за огромного количества газа и пыли между нами и черной дырой. Смотреть сквозь пустые области космоса на М87 было намного проще, несмотря на огромное расстояние. Из-за всех этих помех исследователям пришлось придумывать новые обходные пути. «Пока мы не закончили анализ, даже не верили, что вообще сможем получить это изображение», - сказал на пресс-конференции астроном из Массачусетского технологического института и член EHT Винсент Фиш.
Наблюдая за Стрельцом А*, исследователи собрали порядка 3,5 петабайта данных. «Это эквивалентно примерно 100 миллионам видео в TikTok», — сказал Фиш. «Это слишком большое количество данных для потоковой передачи через интернет».
Фиш, рассказал, что команда передавала данные с помощью сотен жестких дисков, отправленных в корреляционные центры в Вестфорде, США, и Бонне, Германия. В этих центрах расположены суперкомпьютеры, которые занимались объединением полученной информации. Затем все эти сигналы долго калибровались, чтобы ученые смогли получить изображение тени черной дыры. Часть калибровки даже проводилась онлайн из-за пандемии.
В результате получился снимок, который кажется весьма размытым. Но такое качество неудивительно из-за ограничений оборудования. «У каждого телескопа есть то, что мы называем дифракционным пределом», — рассказал на пресс-конференции Майкл Джонсон, астрофизик из Гарвардского центра астрофизики. «Это лучшее изображение, которое можно получить с помощью радиотелескопов на данный момент».
«M87 была захватывающей, потому что являлась чем-то невероятным и экстраординарным. Sgr A* интересна тем, что она вполне обычна».
Но даже по этой размытой фотографии исследователи смогли многое понять. Во-первых, они выяснили, что Sgr A* – не самая прожорливая черная дыра, так как внутрь попадает лишь малая часть всего материала, который вокруг нее вращается. «Если бы Sgr A* был человеком, он бы потреблял одно рисовое зернышко раз в миллион лет», — сказал Джонсон. Во-вторых, ученые определили, что большая часть гравитационной энергии Стрельца А* не преобразуется в свет. Здесь явно необходимо пояснение: некоторые черные дыры обладают таким гравитационным притяжением, которое ускоряет вращающуюся вокруг плазму и выбрасывает ее наружу в виде струй света. Это относится к М87, но не к Стрельцу А*, так как вторая ведет себя гораздо спокойнее. Возможно, таковым и является обычное состояние черных дыр. «Sgr A* дает нам представление о гораздо более стандартном состоянии черных дыр, тихом и спокойном», — говорит Джонсон. «M87 была захватывающей, потому что являлась чем-то невероятным и экстраординарным. Sgr A* интересна тем, что она вполне обычна».
На счету команды EHT уже две фотографии черных дыр, но останавливаться на этом ученые, конечно же, не планируют. Джонсон поделился с аудиторией планами по добавлению новых радиотелескопов для создания Event Horizon Telescope версии next generation, то есть нового поколения – ngEHT. В будущем это должно помочь ученым получить кадры черных дыр в движении, чтобы понять, как они развиваются со временем.
«Улучшение EHT поможет нам перейти от изучения неподвижных изображений к первым видеороликам о черных дырах в высоком разрешении. Благодаря этому мы сможем наблюдать их в движении и продолжить наш путь к границам неизвестного», — заключает Джонсон.
