Астрофізики з міжнародної групи Event Horizon Telescope (ЕНТ, «Телескоп горизонту подій») вперше в історії продемонстрували зображення тіні чорної діри. Цей об’єкт – у 6,5 мільярдів разів більший маси Сонця і знаходиться в центрі галактики М 87 (інша назва – Діва А) в сузір’ї Діви на відстані понад 50 мільйонів світлових років від Сонячної системи.
Про відкриття оголосили 10 квітня під час спеціальної прес-конференції, а в деталях результат описаний у шести наукових статтях, які опублікували у спеціальному випуску журналу The Astrophysical Journal Letters.
Радіо Свобода докладно пояснює, в чому полягає важливість цього відкриття і які перспективи воно відкриває.
Чорна діра – надмасивний астрономічний об’єкт, гравітаційне тяжіння якого настільки велике, що його не можуть подолати навіть об’єкти, які рухаються зі швидкістю світла, в тому числі і фотони самого світла. Можливість існування чорних дір випливає із загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, ці об’єкти були вперше теоретично описані понад 100 років тому.
З тих пір отримали безліч непрямих доказів того, що чорні діри дійсно поширені у Всесвіті. Один з них – вироблена експериментом LIGO в 2015 році фіксація гравітаційних хвиль, викликаних, як вважають, злиттям двох чорних дір. Безпосередньо спостерігати чорні діри раніше не вдавалося, основні причини – вони знаходяться дуже далеко і мають відносно невеликі розміри.
Відкриття EHT стало можливим завдяки використанню одразу восьми синхронно працюючих радіотелескопів, об’єднаних в єдину мережу, так званий радіоінтерферометр. Цей підхід дозволяє вести спостереження практично з таким самим кутовим дозволом, який дав би телескоп з розміром дзеркала, рівного максимальній відстані між антенами, що утворюють радіоінтерферометр.
Така мережа з найбільшою базою в світі – російський проект «Радіоастрон», один з телескопів якого знаходиться на орбіті. Одним із завдань «Радіоастрону» також було отримання зображення чорних дір, але його не виконали через те, що радіохвилі в сантиметровому діапазоні, з яким працював «Радіоастрон», сильніше поглинаються, ніж хвилі міліметрового діапазону, які приймають телескопи EHT.
Зображення тіні чорної діри – результат величезного наукового значення. У відомому серіалі «Теорія Великого вибуху» є герой Раджех Кутраппалі, – говорить астрофізик, член-кореспондент РАН, керівник наукової програми проекту «Радіоастрон» Юрій Ковальов. У нього в офісі є дошка, а на ній висять фотографії з реальних наукових статей. Раніше справжнім шиком було, якщо твоя картинка потрапляла на цю дошку – сценаристи уважно стежили за новинами науки. Тепер почесніше всього потрапити в дудл – картинку на головній сторінці Google.
За допомогою Юрія Ковальова Радіо Свобода розбиралася, що саме видно на зображенні з «пончиком», чи можна вважати існування чорних дір достатньо доведеним, чому не показали фотографію центру Чумацького шляху і куди астрофізики направлять свої телескопи тепер.
1. Що саме видно на зображенні, поширеному дослідниками з EHT?
Це так звана тінь чорної діри – кільцева структура, яка складається з речовини, що падає на чорну діру, розігрітої, і тому світиться. Темна пляма в середині – зона нижче останньої стійкої орбіти, з якої фотони ще можуть вирватися в наш бік. При цьому сама межа горизонту подій дещо менша.
2. Чи можна сказати, що тепер існування чорних дір остаточно доведено?
Отримано пряме з непрямих доказів: тінь чорної діри виглядає саме так, як передбачає теорія. Але питання не можна вважати закритим – цілком можуть з’явитися альтернативні пояснення, як така картинка могла вийти і без чорної діри. Для науки це абсолютно нормальна ситуація.
3. Група EHT спостерігала два об’єкти – чорну діру в центрі галактики M 87 (Діва А) і центр нашої галактики Чумацький Шлях – Стрілець А. Чому обрали саме ці об’єкти?
Для того щоб спостерігати тінь чорної діри, вона повинна бути або досить близькою, або досить масивною. Стрілець А – найближча до нас чорна діра, центр Діви А в 20 разів далі, але і в багато разів більший. Інші відповідні чорні діри для спостереження EHT просто поки не відомі.
4. Очікувалося, що дослідники покажуть зображення тіней обох чорних дір, але показали тільки M87. Чому не вийшло сфотографувати Стрілець А?
Об’єкт в центрі нашої галактики складно спостерігати з двох причин. По-перше, він постійно «крутиться», його зображення змінюється раз в декілька годин, а у EHT занадто велика «витримка», для знімка потрібно спостерігати близько 12 годин. По-друге, Стрілець А прихований від нас, як екраном, що розсіює електромагнітні хвилі хмарою.
5. Чи вдалося отримати якісь цікаві результати, крім фотографії тіні чорної діри?
Отримання зображення тіні чорної діри в галактиці M87 – це основний результат наукової групи, але є й інші. Вдалося уточнити масу чорної діри, вийшло перевірити, що її аккреційний диск (диск, з якого матерія втягується в чорну діру – якраз це ми і бачимо на зображенні у вигляді кільця, що світиться) розташований майже плазом по відношенню до нас, завдяки чому тінь виявилася майже круглою і добре помітною. А ось оцінити параметри обертів чорної діри, які дуже цікаві вченим, поки не вдалося.
6. У «Радіоастрона» кутовий дозвіл навіть вищий, ніж у EHT, чому він не сфотографував тінь чорної діри?
«Радіоастрон» ще шість років тому першим провів докладні спостереження галактики M87 з екстремальним кутовим дозволом. Перед запуском були надії, що вдасться побачити і тінь чорної діри. Але не пощастило: випромінювання на реалізованих в проекті довжинах хвиль (найкоротша – 1,3 см, в десять разів довше, ніж у EHT) занадто сильно поглинається в околицях центру галактики Діва А. Для спостереження тіней чорних дір потрібні міліметрові хвилі – такі, з якими працює EHT і буде працювати перспективний російський космічний телескоп «Мілліметрон».
Вчені хотіли б використовувати спостереження тіней чорних дір для перевірки загальної теорії відносності. Але для цього принципово важливо точно знати масу чорної діри. Досить добре ми знаємо тільки масу центру нашої галактики, але вивчати цей об’єкт складно.
Ймовірно, це доведеться робити за допомогою нових космічних телескопів, одним з яких стане «Мілліметрон», який, до речі, буде мати досить добрі характеристики, щоб фотографувати чорні діри в інших галактиках, в тому числі більш далеких, ніж M87.
«У «Мілліметрона» плануються відповідні для цього завдання довжини хвилі і величезний кутовий дозвіл. Можливо, він стане частиною великої загальної системи з наземних і космічних радіотелескопів. У той самий час за своїм кутовим дозволом «Мілліметрон» буде здатний будувати зображення тіней чорних дір не тільки для Діви А, але і для більш далеких галактик. Можливо, ми отримаємо багато нових фотографій чорних дір», – сказав Юрій Ковальов.
