Впервые увидеть давнего знакомца

Представьте, что вам известен человек, которого вы никогда не видели воочию, но много знаете о его поступках, лично наблюдали результаты его действий, слышали о нем от знакомых и настолько хорошо узнали его, что можете даже предсказать, что он сделает в той или иной ситуации. Такое положение сохраняется много лет, но вдруг наступает день, когда вам показывают фотографию этого, с одной стороны, никогда вами не виденного, а с другой – уже хорошо знакомого человека. Именно это произошло 10 апреля, когда астрономы продемонстрировали миру первое в истории прямое изображение черной дыры и ее тени.

Каким бы странным это ни показалось, формально черные дыры до сих пор оставались неоткрытыми, в ранге гипотезы. Я еще помню, как астрономы говорили, что в центре той или иной галактики находится «возможная черная дыра» или «объект – кандидат в черные дыры». Но с годами накапливалась всё больше наблюдений, которые могли быть объяснены только наличием черных дыр. Уверенность ученых росла, и постепенно оговорки были оставлены.

Хотя далеко не все детали физических свойств черных дыр и их эволюции уже объяснены астрофизиками, о черных дырах известно уже многое. Мы знаем о двух типах черных дыр.

Первые находятся в тесных двойных системах и обнаруживаются по потоку вещества, падающего в черную дыру со второго компонента системы – звезды. Вещество в данном случае образует так называемый аккреционный диск и разогревается до высоких температур, так что астрономы регистрируют испускаемое этим диском излучение. Такие черные дыры невелики, их масса обычно составляет несколько масс Солнца. Совсем недавно появился еще один метод обнаружения черных дыр звездной массы – регистрация гравитационных волн, возникающих, когда две черные дыры сливаются в одну.

Другие черные дыры значительно крупнее, в миллионы и даже в десятки миллиардов масс Солнца. Такие черные дыры находятся в центрах галактик (точнее, в центрах галактик, имеющих балдж – «вздутие» в середине галактического диска). Сверхмассивные черные дыры тоже втягивают в себя окружающее вещество, формируя аккреционный диск. Благодаря таким дискам центры галактик со сверхмассивными черными дырами имеют огромную светимость, иногда она в десятки или даже сотни раз может превосходить светимость всех звезд такой галактики, как Млечный путь. Именно по этому излучению их и обнаружили в конце 1950-х – начале 1960-х годов. Тогда ученые еще не успели понять, с чем имеют дело, и назвали открытые объекты квазарами (квазизвездными радиоисточниками).

В 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт сумел объяснить спектры квазаров, обнаружив в них красное смещение, что позволило определить расстояния до них. Оказалось, что квазары – не только самые яркие, но и самые далекие известные астрономам объекты, находящиеся в миллиардах световых лет от Солнечной системы. Объяснить огромную энергию квазаров смогли Яков Зельдович и Эдвин Солпитер, предположившие, что ее источниками служат аккреционные диски сверхмассивных черных дыр.

Так черную дыру в центре гигантской эллиптической галактики М87 изобразил художник (ESO/M. Kornmesser)

Следить за сверхмассивными черными дырами можно, наблюдая за поведением объектов (звезд, облаков газа) в их окрестностях. Такие наблюдения позволяют с довольно высокой точностью определить массу черной дыры. Сейчас известно уже довольно много таких черных дыр в центрах разных галактик. Более того, астрономы предполагают, что сверхмассивная черная дыра имеется в центре любой галактики с достаточно крупным балджем. Есть черная дыра и в центре Млечного пути, ее масса, составляющая около четырех миллионов масс Солнца, вычислена по движению окружающих звезд.

Еще одна хорошо знакомая астрономам сверхмассивная черная дыра находится в центре эллиптической галактики M87 в созвездии Девы. Она значительно крупнее «нашей» черной дыры (около 6,5 миллиардов масс Солнца, по этому показателю она уступает лишь черным дырам в галактиках NGC 3842 и NGC 4889 с массами в 9,7 и 27 миллиардов масс Солнца), но находится на куда большем расстоянии – примерно 55 миллионов световых лет. Диск из ионизированного газа вокруг этой черной дыры вращается со скоростью около 1000 километров в секунду, а его диаметр равен примерно 0,39 световых лет.

Именно черная дыра галактики M87 была выбрана для получения первого в истории науки изображения черной дыры. Хотя девиз «Pics or It Didn'tHappen» в науке не действует, задача увидеть черную дыру земными телескопами показалась достаточно интересной, чтобы приложить значительные усилия. Конечно, не может быть и речи о том, чтобы объект, пусть и колоссально яркий, но находящийся в другой галактике за десятки миллиардов световых лет от нас, можно было увидеть в оптический телескоп. Черную дыру собирались рассматривать в радиодиапазоне.

Но и для одного радиотелескопа такая задача была слишком сложна. Дело в том, что угловая разрешающая способность радиотелескопа определяется отношением длины волны к диаметру антенны. Чем меньше это отношение, тем более близкие друг к другу объекты способен различать телескоп. Соответственно, увеличивая диаметр параболической антенны, можно улучшать эту характеристику телескопа. Но даже у телескопов с самыми большими антеннами она остается небольшой. Их угловое разрешение редко превышает 1 угловую минуту, что примерно соответствует зоркости невооруженного глаза. И излучение от двух или более радиоисточников, расположенных близко друг от друга, радиотелескоп воспринимает как один источник.

Радиоастрономы уже давно решили эту проблему. Они создали радиоинтерферометры – системы из нескольких радиотелескопов, связанных между собой и работающих синхронизировано. В таком случае угловая разрешающая способность определяется не диаметром зеркала одного телескопа, а расстоянием между телескопами (так называемой базой радиоинтерферометра).

С появлением радиоинтерферометров радиоастрономия резко обогнала по разрешающей способности оптическую астрономию. Появились и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ, Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Они объединяют радиотелескопы, разнесенные на тысячи километров и находящиеся в разных странах, а часто и на разных континентах. Излучение, принятое на каждом из них, записывается и обрабатывается в едином центре.

Именно такой радиоинтерферометр был создан для получения изображения черной дыры в галактике M87. Он получил название «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT) и объединил восемь наземных радиотелескопов: ALMA (Чили, Европейская Южная обсерватория), APEX (Чили, Европейская Южная обсерватория), 30-метровый телескоп IRAM (Сьерра-Невада, Испания), телескоп Джеймса Клерка Максвелла (Мауна-Кеа, Гавайи), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (Сьерра-Негра, Мексика), Субмиллиметровая решетка (Мауна-Кеа, Гавайи), Субмиллиметровый телескоп (Аризона, США) и телескоп на Южном полюсе (станция Амундсен – Скотт, Антарктида). В работе этой научной коллаборации участвовали более 200 исследователей.

Карта расположения телескопов, участвовавших в наблюдениях M87 в рамках проекта EHT в 2017 году. В 2018 году в состав EHT вошел радиотелескоп в Гренландии. Еще два телескопа, находящиеся во Франции и в Аризоне, присоединятся к проекту в 2020 году.

Интерферометр работал на частоте 1,3 мм и достиг углового разрешения 20 миллисекунд. Чтобы наглядно продемонстрировать эту величину, ученые говорят, что в оптическом диапазоне такое разрешение позволило бы читать нью-йоркскую газету из парижского кафе.

При работе восьми радиотелескопов в режиме гигантского интерферометра необходимо с большой точностью синхронизировать данные, полученные каждым из них. Для этого были использованы атомные часы (водородный мазер). В ходе наблюдательной кампании 2017 года каждый радиотелескоп в день получал 350 терабайт данных. Они записывались на специальные жесткие диски и отправлялись в Институт радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне и Обсерваторию Хэйстек (Массачусетский технологический институт), где находятся корреляторы – специальные суперкомпьютеры, которые обрабатывали полученные сигналы и в конечном итоге преобразовывали их в изображение.

Полученный результат был представлен в серии из шести статей, опубликованных в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters, а также на нескольких пресс-конференциях, проведенных в разных странах научными учреждениями, участвовавшими в проекте EHT.

Первое изображение черной дыры

«Когда черная дыра погружена в яркий диск светящегося газа, там должна образоваться темная область, напоминающая тень. Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось, – рассказал глава Научного совета EHT Хейно Фальке (Heino Falcke) из университета Рэдбуд в Нидерландах. – Эта "тень", образующаяся вследствие гравитационного искривления света и его захвата горизонтом событий, многое говорит о природе этих удивительных объектов. Именно она и позволила нам измерить гигантскую массу черной дыры в M87». Граница самой черной дыры – так называемый «горизонт событий» – примерно в 2,5 раза меньше тени. В черной дыре галактики M87 он имеет диаметр чуть около 40 миллиардов километров.

Из-за огромного расстояния, отделяющего наблюдателей от черной дыры, видимый размер тени черной дыры M87 составляет всего 42 угловых микросекунды (тут ученые вновь прибегли к наглядным сравнениям, сопоставив это с видимым размером кредитной карты, лежащей на поверхности Луны), а размер горизонта событий равен лишь семи микросекундам.