какую черную дыру сфотографировали
Получена первая в истории фотография черной дыры
Новости партнеров
В рамках международного проекта «Event Horizon Telescope» астрономам впервые за всю историю наблюдений удалось получить снимок черной дыры, а точнее ее тени, «отбрасываемой» на светящийся диск из перегретого газа и пыли. Неуловимый гравитационный монстр, красующийся на «фотографии века», проживает в сверхгигансткой эллиптической галактике Messier 87 в 54 миллионах световых лет от Земли в направлении созвездия Девы.
«Чтобы получить фотографию черной дыры максимально высокого разрешения мы объединили в одну глобальную сеть восемь мощнейших радиотелескопов, расположенных по всей планете, и направили их в центр галактики Messier 87. Это стало возможным только благодаря международному сотрудничеству и технологическому прогрессу, достигнутому в последние несколько лет», – рассказывает Лучано Реззола, профессор теоретической релятивисткой астрофизики из Франкфуртского университета им. Гете (Германия), один из участников проекта «Event Horizon Telescope».
Существование черных дыр следует из Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, считающейся сегодня стандартной теорией гравитации, неоднократно подтвержденной экспериментально. Они представляют собой области пространства-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Другими словами, все, что подойдет слишком близко черной дыре и будет затянуто за горизонт событий, уже не сможет вырваться обратно.
Однако это теория, и никогда ранее черные дыры, а точнее их тени, не наблюдались напрямую. Проблема в том, что, даже обладая огромными массами, размеры этих объектов не столь велики, чтобы современные телескопы в одиночку могли их рассмотреть с разрешением, позволяющим разделить аккреционный диск, окружающий черную дыру, и горизонт событий.
Чтобы обойти эти технические ограничения несколько лет назад был дан старт проекту «Event Horizon Telescope», целью которого является получения снимков сверхмассивных черных дыр в сердце Млечного Пути и галактики Messier 87. Почему были выбраны именно эти объекты? Все просто. Черная дыра Стрелец А* в нашей Галактике находится ближе всего к Земле, а гигантский монстр в Messier 87 удобен для наблюдений, так как, во-первых, он невероятно массивен, а, во-вторых, сама галактика удачно расположена на небе для отслеживания глобальной сетью.
«В обычной среде мы ожидаем, что свет будет двигаться по прямой. Однако с черной дырой ситуация совсем другая: обладая крайне сильной гравитацией, она отклоняет и изгибает траекторию движения света настолько, что мы фактически можем видеть то, что находится за ней. И, учитывая, что сама по себе черная дыра не излучает свет, ожидаемое изображение представляет собой яркое кольцо, состоящее из всех отклоненных ею лучей. И то, что мы увидели, отлично согласуется с моделями», – добавил Роман Голд из Франкфуртского университета им. Гете, также участник проекта «Event Horizon Telescope».
Всего за 2017 и 2018 года «массив размером с Землю» выполнил около 60 часов наблюдений, собрав в общей сложности примерно 10 петабайт данных. Ученые потратили полтора года, чтобы откалибровать и перепроверить гигантский объем информации и, в итоге, преобразовать его в изображение источника – сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87.
«Такой подвиг когда-то считался невозможным, так как черные дыры отбрасывают небольшие, трудно наблюдаемые тени. Но, разместив телескопы по всему миру для создания телескопа размером с Землю, был достигнут этот беспрецедентный результат, предвещающий новую эпоху в исследовании черных дыр и прокладывающий путь для дальнейших научных прорывов», – прокомментировали событие в Европейской южной обсерватории (ESO), чьи телескопы добавляют ощутимую мощь глобальной сети «Event Horizon Telescope».
Исследователи отмечают, что теперь у них впервые появилась возможность проверить, насколько хорошо наша физика работает в экстремальных средах, понять движение газа и радиационную среду в окрестностях черных дыр, выяснить, какие теории об этих экзотических объектах верны, а какие будут разрушены, а также получить фотографии и внимательно рассмотреть других кандидатов в черные дыры, чтобы определить, все ли они являются таковыми, или же это другие явления, «маскирующиеся» под этих гравитационных монстров.
Ученые впервые показали реальное «фото» черной дыры
Спроси любого человека на улице, как выглядит черная дыра, и он вам обязательно об этом расскажет. Еще бы, ведь все помнят красочные симуляции этих космических объектов из различных фантастических фильмов. Поэтому в это трудно поверить, что до сих пор никто на самом деле не видел, как же черные дыры выглядят в реальности!
10 апреля ученые показали первое реальное изображение черной дыры. Здесь стоит оговориться, что на самом деле полученный снимок представляет собой изображение аккрецио́нного диска, явления происходящего в непосредственной близи от еще видимых границ материи, притягиваемой черной дырой, у горизонта событий. И полученное изображение удивительно напоминает нам до боли знакомые кадры из фильма Интерстеллар!
Посвященная этому событию пресс-конференция сейчас транслируется в прямом эфире:
Европейская комиссия представила прорывное научное открытие сделанное при помощи Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»)- проекта международного научного сотрудничества, целью которого явилось получение первого изображения черной дыры путем создания виртуального телескопа размером с Землю. Исследователи, финансируемые ЕС, сыграли ключевую роль в проекте.
Шесть пресс-конференций по всему миру будут проходить одновременно. В Европе ведущие ученые, финансируемые Европейским исследовательским советом, провели пресс-конференцию в Брюсселе, чтобы обнародовать это открытие.
Черная дыра — это область пространства с гравитацией такой силы, что удерживает даже объекты двигающиеся со световой скоростью, даже сами фотоны, поэтому излучение не может покинуть пределы горизонта событий черной дыры. Вероятность существования таких областей доказал еще Альберт Эйнштейн, разработав уравнения общей теории относительности в начале XX века, однако сам он в возможную реальность таких объектов до конца не верил.
Увидеть не выпускающую света черную дыру было сложно (точнее, как уже сказано, можно увидеть только ее ближайшее окружение), а дыру, находящуюся в таком огромном отдалении — еще сложнее! Чтобы решить эту проблему, ученые объединили девять радиотелескопов из разных уголков Земли в один большой «виртуальный телескоп». Список телескопов, участвующих в проекте Event Horizon Telescope. Радиотелескопы принадлежат Испании, Чили (2), Мексике, США(4), Дании. В 2020 к проекту подключатся еще один телескоп из США и один из Франции.
Проект «Телескоп горизонта событий» ставил своей целью наблюдение за образующими ядра большинства галактик сверхмассивными черными дырами. Ученые десять дней следили за двумя черными дырами в апреле 2017 года, одна из которых — черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути, на расстоянии около 26 тысяч световых лет от Земли. В результате наблюдений было записано более 500 терабайт данных не менее 350 терабайт данных с каждого из телескопов кластера, а обработка этого огромного массива информации заняла два года.
Темная сила Ученым впервые удалось увидеть черную дыру. Что это даст человечеству?
10 апреля мир впервые увидел черную дыру на фотографии. Этот сверхмассивный объект находится на расстоянии 53 миллионов световых лет от Земли и выглядит как темный круг с оранжевым ореолом. Несмотря на то что многие знают, на что похожа черная дыра, до этого все ее изображения были реконструкциями, основанными на решениях уравнений Эйнштейна. Теперь же ученые уверены: черные дыры действительно выглядят так, как их представляли. «Лента.ру» рассказывает, как был сделан снимок и что это значит для науки.
Невидимые монстры
Черная дыра, названная гавайским именем Поэхи (Powehi) — «украшенное темным источником бездонное творение», — находится так далеко от Земли, что разглядеть ее в деталях с помощью одного радиотелескопа невозможно. Как и другие черные дыры, она представляет собой объект огромной плотности (если рассматривать ее центральную точку, а не весь объем сферы Шварцшильда) и обладает настолько мощной гравитацией, что сворачивает вокруг себя пространственно-временной континуум. Искривление настолько велико, что образуется область, из которой наружу не ведет ни одна из возможных траекторий. Граница этой области называется горизонтом событий, и все, что проникает за него (включая видимый свет и другие электромагнитные волны), обратно вернуться уже не может.
В последние десятилетия ученые не сомневались в существовании черных дыр, хотя сама природа этих объектов препятствует непосредственному их наблюдению. Исследователи применяли косвенные методы, в том числе наблюдение за объектами, которые вращаются вокруг пустых областей космоса, или измерение массы и размеров объектов, являющихся источниками интенсивного излучения. Но разглядеть черноту горизонта событий на ярком фоне звезд и газа до сих пор не удавалось никому.
По кусочкам
Чтобы сфотографировать черную дыру, необходим телескоп размером с Землю и еще один важный инструмент — алгоритм, который сведет данные в итоговое изображение. Кэти Боуман — одна из исследователей, работавших над этим алгоритмом, еще студенткой пыталась научить компьютеры распознавать образы на основе зашумленной информации. Вместе с научным руководителем Биллом Фриманом она разработала метод, позволяющий распознать объекты, «зашифрованные» в полутенях, которые отбрасывают углы зданий. В результате становилось возможным увидеть то, что находилось за этими углами.
Event Horizon Telescope — это объединенная сеть из восьми обсерваторий по всему миру, чьи радиотелескопы синхронизированы по сверхточным атомным часам. Несмотря на то что они работают как один огромный телескоп диаметром 10 тысяч километров, такая система по количеству получаемой информации все-таки значительно уступает воображаемому радиотелескопу с тарелкой аналогичного размера. Это ограничение удается немного преодолеть из-за вращения Земли вокруг своей оси, благодаря чему можно собрать еще немного радиоволн. Основная проблема в том, что итоговое изображение будет все равно сильно зашумленным. Алгоритм Кэти Боуман позволяет убрать шумы и построить приемлемую картину.
Полученную радиотелескопами информацию можно интерпретировать по-разному и сгенерировать таким образом целый «зоопарк» изображений. Однако не следует думать, что исследователи просто притянули результат к своим представлениям о том, как должна выглядеть черная дыра. Существуют строгие ограничения, продиктованные тем, что астрономам известно о космосе. Ученые знают, на что должны быть похожи астрономические объекты и на что они не похожи. Это позволяет отсеять огромное количество вариантов, изображающих то, что не может находиться в центре галактик.
Допустим, мы запускаем симуляцию, в которой генерируется черная дыра в соответствии с предсказаниями теории относительности Эйнштейна, после чего экзотический объект помещается в центр Млечного Пути. В результате моделируются данные, которые в этом случае должен получить Event Horizon Telescope. Если бы черная дыра на самом деле выглядела иначе (или ее вообще не было), данные телескопов были бы совершенно другими и алгоритм Боуман мог бы получить совершенно другие изображения.
Алгоритм, в свою очередь, подобен сборщику пазла. Он анализирует скудные данные, полученные телескопами, и выстраивает на их основе общую картинку, используя фрагменты тысяч введенных в него изображений космических и даже земных объектов. Если из различных наборов изображений получается именно изображение черной дыры (которую мы симулировали), то ученые могут быть уверены, что алгоритм работает правильно.
То есть в какой-то степени реконструированная фотография черной дыры является коллажем из фрагментов различных снимков, даже повседневных. Если бы алгоритм был плохим, результат сильно бы зависел от набора введенных изображений, и вместо черной дыры исследователи получили бы, например, фотографию со свадебной церемонии.
Все сошлось
Полученное изображение сверхмассивной черной дыры в галактике М87 соответствует предсказаниям теории относительности Эйнштейна, позволяющей определить массу и диаметр этого экзотического объекта. Размером она превосходит Солнечную систему и достигает 40 миллиардов километров. Кроме того, она содержит массу 6,5 миллиарда Солнц. Однако самое примечательное в той фотографии, ради чего она и была сделана, это темный круг в центре раскрашенного в условные цвета ореола. Это тень черной дыры, которая соответствует горизонту событий.
Саму черную дыру невозможно увидеть, однако ее тень хорошо различима на фоне поглощаемого вещества. На Землю смотрит полюс Поэхи, поэтому астрономы видят раскаленный газ, вращающийся вокруг черной дыры, «сверху». Однако даже если бы черная дыра была видна сбоку, расчеты показывают, что вещество движется по таким траекториям, что тень все равно была бы видна. Интересно, что по форме тени можно определить различные свойства черной дыры (например, является ли она вращающейся) и отличить ее от червоточины (кротовой норы).
Будущие свершения
Чтобы узнать новые детали о космическом монстре в М87, ученым предстоит подробно изучить фотографию. Кроме того, сейчас исследователи заняты обработкой данных, полученных при наблюдении центра Млечного Пути, где находится черная дыра Sgr A*. Вполне возможно, что скоро будет опубликован более впечатляющий снимок сверхмассивной черной дыры, располагающейся куда ближе Поэхи, «всего лишь» в 25 тысячах световых лет от Земли. Поскольку Млечный Путь намного спокойнее эллиптической и активной М87, то астрономы смогут узнать больше о поведении черных дыр в различной среде.
В будущем астрономы получат еще больше инструментов, которые войдут в сеть Event Horizon Telescope. Так, национальная обсерватория Китт-Пик в штате Аризона (США) и миллиметровая решетка NOEMA во французских Альпах присоединятся к проекту в 2020 году. Это позволит лучше рассмотреть процессы, протекающие в непосредственной близости к черной дыре. К ним относится релятивистская струя, которая выбрасывается из ядра М87 и простирается на пять тысяч световых лет. А использование электромагнитного излучения чуть большей частоты должно несколько повысить четкость новых фотографий.
К сожалению, Россия остается на обочине и не участвует в проекте. По словам Вячеслава Докучаева, ведущего научного сотрудника Института ядерных исследований РАН, у страны нет радиотелескопа миллиметрового диапазона, который можно было бы сделать частью Event Horizon Telescope.
Первое в истории фото чёрной дыры
Использовав глобальную сеть телескопов, астрономы увидели и смогли сфотографировать горизонт событий чёрной дыры. Это первое в истории человечества визуальное подтверждение существования чёрных дыр. На изображении центральная чёрная часть окружена кольцом света, более ярким с одной стороны.
«Мы видели то, что считалось невидимым, — сказал Шеперд Доулман (Sheperd Doeleman), директор коллаборации Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope Collaboration). — Мы увидели и сфотографировали чёрную дыру».
Учёным удалось запечатлеть горизонт событий сверхмассивной чёрной дыры в центре сверхгигантской эллиптической галактики М87 (Messier 87) в созвездии Девы, на 55 млн световых лет удалённой от Земли. Запечатлённая сверхмассивная чёрная дыра, согласно расчётам астрофизиков, имеет массу, в 6,5 млрд раз превышающую массу нашего Солнца.
Чтобы это сделать это фото, коллаборации Телескопа горизонта событий пришлось потратить больше десяти лет. В проекте приняли участие более двухсот исследователей, которые использовали мощности восьми крупных радиотелескопов, расположенных в разных частях планеты. Это были телескопы ALMA («Атакамская большая решётка миллиметрового диапазона», пустыня Атакама, Чили; 54 антенны диаметром 12 м и 12 антенн диаметром 7 м), APEX («Атакамский исследовательский эксперимент», там же; антенна диаметром 12 метров), 30-метровый телескоп IRAM (Институт миллиметровой радиоастрономии, Гранада, Испания; антенна диаметром 30 метров), Телескоп Джеймса Клерка Максвелла (JCMT, вулкан Мауна-Кеа, Гавайи, США; субмиллиметровый телескоп с диаметром главного зеркала 15 метров), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (LMT, вулкан Сьерра-Негра, штат Пуэбла, Мексика; тарелка диаметром 50 метров), Субмиллиметровый массив (SMA, вулкан Мауна-Кеа, Гавайи, США; восемь шестиметровых радиотелескопов), Субмиллиметровый телескоп (SMT, Майнт-Грэм, Аризона, США; радиотелескоп с антенной диаметром 10 метров) и Телескоп Южного полюса (SPT, Южный полюс, Антарктика; антенна диаметром 10 метров). Все эти телескопы были объединены в радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, что позволило получить виртуальный телескоп, размеры которого сравнимы с размерами самой Земли.
«Наши наблюдения были скоординированным танцем, в котором мы синхронно направляли наши телескопы в тщательно спланированном порядке, — рассказывает Даниэль Маррон (Daniel Marrone), доцент астрономии из Аризонского университета (University of Arizona). — Чтобы убедиться, что наблюдения были в самом деле одномоментными, чтобы мы могли увидеть один и тот же волновой фронт света, приземляющийся на каждом из наших телескопов, мы использовали на каждом из них чрезвычайно точные атомные часы».
Коллаборация собрала за две недели 5000 трлн байт данных. Чтобы получить из них изображения, их обработали на суперкомпьютерах.
Подробности исследования опубликованы в серии из шести научных работ в Astrophysical Journal Letters.
Легендарная фотография чёрной дыры стала чётче и пополнилась деталями
Учёные сделали ещё ряд открытий за прошедшие два года
С момента получения астрономами первой в истории фотографии чёрной дыры прошло почти два года. При этом данные, послужившие фундаментом для создания фотографии, были получены ещё в 2017 году, то есть на их обработку ушло два года.
И ещё два года понадобилось, чтобы дополнить ту самую фотографию новыми подробностями.
Во-первых, фотография стала более детализированной. Во-вторых, фото представлено в поляризованном свете. В-третьих, и это уже важно для учёных, у чёрной дыры обнаружили сильное магнитное поле, структуру которого и можно видеть на новом фото. Само собой, ранее наличие сильно намагниченного газа вокруг таких объектов было предсказано множеством моделей и косвенно подтверждено различными наблюдениями, но теперь это подтвердили и благодаря данным Event Horizon Telescope (EHT). Кроме того, учёные предполагают, что магнитные поля во внутреннем крае аккреционного диска вокруг чёрной дыры достаточно сильны, чтобы отталкивать горячий газ и помогать ему сопротивляться чудовищной гравитации объекта.
К слову, побочным продуктом дальнейшего изучения данных стало определение учёными количества вещества, которое поглощает чёрная дыра в сердце Messier 87. Оказалось, что это всего лишь около 0,001 массы Солнца в год.