Увидеть тень черной дыры

Пожалуй, среди экзотических объектов во Вселенной нет более одновременно известного (широкой публике) и неизвестного (для астрофизиков), чем черные дыры. Несмотря на то, что доказательств их существования становится все больше (данные наблюдений за двойными звездными системами и ядрами активных (и не очень) галактик, неоднократные регистрации всплесков гравитационных волн от слияния черных дыр, наблюдения за сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути), астрономы продолжают погоню за изображениями самых ближайших окрестностей подобного объекта и его самого. И сегодня, 10 апреля 2019 года, астрономы из проекта EHT (Event Horizon Telescope) должны объявить о полученном за время работы «результате чрезвычайного значения». Это может оказаться тенью черной дыры, ее своеобразным первым в истории «прямым» изображением.

Сама по себе черная дыра невидима, однако излучение может генерировать перегретое вещество, падающее на нее по спирали из аккреционного диска. На фоне этого свечения можно увидеть темную область, немного шире горизонта событий черной дыры, — это и будет тень черной дыры. Ее вид очень сильно зависит от ориентации газового диска, окружающего черную дыру, так как в дело вступают визуальные искажения (искривление траекторий фотонов), предсказываемые Общей теорией относительности. Помимо тени интересна последняя стабильная орбита вокруг черной дыры. Тут необходимо учитывать, что речь идет о расстояниях в несколько радиусов Шварцшильда, значение которого зависит от массы черной дыры, так что все интересующее может иметь масштабы от нескольких десятков километров (в случае черных дыр звездных масс) до даже порядка размера Солнечной системы (для сверхмассивных черных дыр). При этом интересующие нас объекты расположены очень далеко — от нескольких тысяч световых лет (микроквазар V4641 Стрельца) до миллионов световых лет, и большая их часть недоступна для наблюдений, так как необходимо огромное угловое разрешение (примерно 10^-10 угловой секунды). Это во много раз выше предела чувствительности оптических обсерваторий, однако не все так плохо.

Достигнуть необходимого углового разрешения можно, используя методы интерферометрии, в частности радиоинтерферометрию со сверхдлинной базой. Если вы возьмете обсерватории по всему миру и объедините их в единую систему, то можно достичь разрешения порядка угловой миллисекунды (тут можно вспомнить проект «Радиоастрон», достигнувший впечатляющих результатов). Это причина, почему антенны проектов EHT и GMVA (Global mm-VLBI Array) разбросаны по разным местам и континентам - Северная Америка, Гавайи, Европа, Южная Америка и Антарктида. Почему два проекта? Потому что наблюдения ведутся на разных длинах волн.

Целями для наблюдений стали две сверхмассивные черные дыры. Первая расположена в центре нашей галактики, на расстоянии 26 тысяч световых лет от Солнца, связана с компактным радиоисточником Стрелец A* (Sgr A*), и является сверхмассивной черной дырой с массой в 4,3 миллиона масс Солнца. Вторая находится в гигантской эллиптической галактике M87 в созвездии Девы и является одной из самых массивных из известных черных дыр — 6 миллиардов масс Солнца. M87 находится на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли, что в 2000 раз дальше, чем Sgr A *. Видимый угловой размер этих черных дыр (ориентируемся на горизонт событий) при наблюдениях с Земли, будет несильно различаться (около 10 угловых микросекунд), однако в реальности размер интересующей области будет побольше — от 22 (М87) до 53 угловых микросекунд (Sgr A*).

Нужно понимать, что мощность таких радиоисточников очень мала. Общая мощность, излучаемая Sgr A* в радиодиапазоне (0–1000 ГГц), составляет около 2 ? 10^28 Вт. Однако на Земле в той части радиодиапазона, которая представляет интерес для EHT, плотность мощности составляет всего 3 Янских или 3 x 10^-26 Вт/(м^2)*Гц, что более чем на десять порядков меньше, чем в случае мощности телевизионного сигнала. Типичная антенна EHT имеет диаметр около 10 метров и ширину полосы приема 8 ГГц. Мощность сигнала, принимаемая такой антенной, составляет примерно 10^-16 Вт, что примерно в миллиард раз меньше, чем телевизионный сигнал.

Что мы хотим увидеть? Первое подобное «изображение» при помощи ловкости математический расчетов (и никакого мошенничества!), компьютера IBM 7040 и туши получил в 1979 году французский астрофизик Жан-Пьер Люмине.

Сегодня же астрономы ожидают увидеть нечто такое:

Что нам это даст? Во-первых позволит лучше изучить механизмы аккреции и структуру вращающегося аккреционного диска, определить темпы падения вещества на черную дыру. Предполагается, что в торможении вещества вблизи черной дыры участвуют турбулентные процессы, порождаемые магнитными полями диска, что позволяет рассеивать энергию частиц, не требуя, чтобы атомы сталкивались друг с другом напрямую. Однако такого рода турбулентность никогда не наблюдалась экспериментально. Магнитные поля и процессы аккреции ответственны и за созданий релятивистских выбросов вещества (джетов) и лишь совсем недавно астрономы начали понимать механизмы образования подобных струй. Результаты EHT и тут помогут ученым.

Во-вторых это еще одна мощная проверка Общей теории относительности. Она предсказывает, что фотоны, испускаемые веществом, падающим в черную дыру, должны перемещаться по искривленным траекториям, образуя кольцо света вокруг тени черной дыры. Параметры тени, в частности ее размер и форму, можно предсказать из уравнений ОТО. Они зависят от массы черной дыры и от ее типа (невращающаяся/вращающаяся). «Теорема об отсутствии волос» утверждает, что для описания пространства-времени вокруг черной дыры можно использовать всего три параметра (электрический заряд, масса, угловой момент). ОТО предсказывает примерно круглую форму тени, но есть еще и альтернативные теории гравитации, которые немного другую геометрию тени. Следовательно, обнаружение тени черной дыры и установление, что она действительно имеет близкую к круглой форму, будет еще одним доказательством применимости Общей теории относительности.

Нам остается лишь немного подождать.

Источник: m.vk.com