Фото чорної дірки в центрі галактики: як воно зроблено і чому важливо

Загадка довжиною майже століття

Ще в 1930-ті роки піонери радіоастрономії звернули увагу на загадкові перешкоди, джерело яких було десь у небі. Згодом стало зрозуміло, що винуватця потрібно шукати не на Землі і навіть не в Сонячній системі, а в центральних областях нашої галактики.

На жаль, центр Чумацького Шляху прихований щільними пиловими хмарами, що поглинають все видиме світло. Тому астрономи не мали можливості подивитися туди через телескоп і побачити джерело радіосигналів. А Друга світова, що почалася незабаром, змусила вчених надовго забути про проблему небесних перешкод.

Після війни радіоастрономія пережила бурхливе зростання. Були збудовані перші радіотелескопи сучасного вигляду, що дозволили астрономам розпочати повноцінне вивчення Чумацького Шляху. У 1970-ті з’ясувалося, що перешкоди випромінює відносно компактне радіоджерело в самому центрі нашої галактики. Це радіоджерело отримало позначення Стрілець А*.

Приблизно тоді пройшли перші спостереження центру Чумацького Шляху в інфрачервоному діапазоні (на відміну видимого світла, інфрачервоне випромінювання проходить через пилові скупчення). Вони дозволили ідентифікувати низку структур у центрі нашої галактики, включаючи зірки та газові хмари, що обертаються навколо Стрільця А*.

Подальший аналіз їх орбіт дозволив визначити, що маса Стрільця А перевищує масу нашого Сонця в мільйони разів. Астрономам був відомий лише один об’єкт, який відповідає подібним характеристикам: надмасивна чорна діра.

Анатомія чорної діри

З обивательської точки зору чорна діра – це космічний “пилосос”, який затягує все, що виявиться на його шляху. Чорні дірки справді поглинають речовину і можуть розривати цілі зірки. Але треба розуміти, що існує кілька видів чорних дірок. Єчорні дірки зоряних мас . Вони утворюються в результаті гравітаційного колапсу зірок-гігантів. Такі об’єкти — при діаметрі десь у пару десятків кілометрів — мають масу, що в середньому лежить у діапазоні від 5 до 50 мас Сонця.

Але чорна дірка у центрі Чумацького Шляху зовсім не така. За останніми підрахунками, її маса в 4,2 мільйона разів перевищує масу Сонця при діаметрі 26 мільйонів кілометрів. Такі об’єкти називаютьнадмасивними чорними дірками. Наразі вважається, що подібні утворення розташовані у центрах більшості галактик. І роль таких чорних дірок не обмежується функцією «пилососів».

Надмасивні чорні дірки активно впливають на свої галактики. Зокрема, вони можуть придушувати процеси зіркоутворення та руйнувати цілі зоряні скупчення. У той же час за деяких обставин чорні дірки можуть виступати і як «творці». Астрономам відомі випадки, коли вплив чорних дірок, навпаки, сприяв формуванню нових зірок. Всі ці процеси грають величезну роль еволюції галактик, що, своєю чергою, неспроможна не позначитися перспективах зародження у яких життя.

Між чорними дірками зоряних мас та надмасивними чорними дірками — прірва. І тут криється одна з головних таємниць сучасної астрофізики. Теорії припускають існування та чорних дірок середньої маси. Астрономи вже мають кілька кандидатур на роль таких об’єктів — але навіть якщо вони й підтвердяться, наявні дані говорять про те, що таких чорних дірок все одно значно менше, ніж їхніх дрібних і великих побратимів. Причина такої диспропорції залишається загадкою.

Чорні дірки поглинають все, що перетинає їхній обрій подій. Їхня гравітація настільки потужна, що за її межі не може вибратися навіть світло. Тому сингулярність у буквальному значенні неможливо побачити. Виникає питання: якщо чорні дірки невидимі, звідки виходить радіовипромінювання, що випускається Стрільцем А*? І що в такому разі знято на недавньому знімку?

Так, самі по собі чорні діри нічого не випромінюють (теоретично вони можуть випускати випромінювання Хокінга, але залишимо такі подробиці для іншого разу). Але річ у тому, що поглинання речовини не відбувається миттєво. Захоплена матерія рухається орбітою навколо чорної діри, утворюючиакреційний диск . Частинки речовини в цьому диску постійно стикаються один з одним, що веде до його сильного розігріву, який, у свою чергу, призводить до утворення випромінювання в різних діапазонах електромагнітного спектру – і це випромінює наявність чорної діри.

Більше того, у деяких випадках частина речовини з акреційного диска може викидатися назовні у виглядіджетів (полярних струменів). Вони рухаються з навколосвітловими швидкостями і можуть мати довжину тисячі світлових років, граючи роль своєрідних галактичних маяків.

Отже, хоч ми й справді фізично не можемо побачити саму чорну дірку, ми можемо побачити її «тінь» — темний силует усередині акреційного диска, що світиться, який відповідає контуру чорної діри і прилеглим областям. А якщо цей силует можна побачити, то його можна і сфотографувати.

Телескоп горизонту подій

Астрономи з усього світу давно мріяли одержати фотографію силуету чорної діри. Проблема в тому, що жоден з існуючих оптичних телескопів не має достатнього дозволу, щоб виконати це завдання. Вчені знайшли вихід – створити віртуальний радіотелескоп розміром із земну кулю.

Суть ідеї в тому, що той самий об’єкт одночасно спостерігається декількома радіообсерваторіями. Потім їх дані із зазначеним точним часом спостереження (для цього використовуються атомні годинники) зводяться докупи і обробляються за допомогою спеціальних алгоритмів. Це дає можливість створити віртуальний аналог телескопа, розміри якого дорівнюють максимальній відстані між вихідними телескопами.

Саме ця ідея лягла в основу проекту «Телескоп горизонту подій», який об’єднав понад 300 вчених із шести десятків наукових установ по всьому світу. Безпосереднє завдання – отримати зображення силуету чорної дірки – було покладено на вісім обсерваторій, що розташовані на чотирьох континентах.

EHT провів історичні спостереження у 2017 році. Загалом у їх ході було зібрано 4 петабайти даних. Оскільки це занадто великий обсяг, щоб його можна було переслати через Інтернет, надсилання даних здійснювалося фізично шляхом перевезення жорстких дисків.

Крім Стрільця А*, у 2017 році EHT також зняв центр галактики М87. У ній є воістину гігантська чорна діра, чия маса в 6,5 мільярда (не мільйона!) вкотре перевершує масу нашого Сонця. Зображення її тіні було опубліковано у 2019 році і стало однією з найяскравіших наукових подій року.

Чому ж ми побачили знімок далекої М87 на три роки раніше, ніж фотографію Стрільця А*, що знаходиться практично по сусідству? Адже вони мають приблизно однаковий кутовий розмір на небі. М87 у 1600 разів більший за Стрільець А*, але останній майже у 2000 разів до нас ближче.

Вся річ у розмірах самих чорних дірок. Вимірювання показали, що газ на околицях обох гравітаційних монстрів рухається з однаковою швидкістю, майже рівною швидкості світла. Але на те, щоб зробити один оборот навколо набагато більшої за розміром дірки в центрі галактики M87 (радіус її горизонту подій — 18 мільярдів кілометрів, втричі більше за відстань між Сонцем і Плутоном), йому потрібно від кількох днів до кількох тижнів. За словами учасників проекту, знімки зроблені з тижневим інтервалом практично не відрізнялися. Це спростило завдання їх обробки та зведення в єдиний «портрет».

Стрілець А* набагато менший за розмірами, і газ здійснює один оберт навколо нього буквально за хвилини. Через це яскравість та структура акреційного диска чорної діри в центрі нашої галактики змінювалася з інтервалом від 5 до 15 хвилин, що серйозно ускладнювало завдання побудови єдиного зображення.

Дослідникам довелося зробити тисячі знімків Стрільця А* та розробити складні алгоритми та програми, щоб змоделювати особливості руху газу навколо нього. Зображення чорної дірки усереднювалися за багатьма окремими візуалізаціями. Це зажадало значних комп’ютерних потужностей і зайняло чимало часу. Але врешті-решт 12 травня земляни зуміли вперше побачити тінь чорної дірки, що причаїлася в центрі нашої галактики.

Фотографія століття

Незважаючи на значну різницю в розмірах двох чорних дірок, загалом зображення тіні Стрільця А* цілком узгоджується зі знімком М87. Ми бачимо кільце газу, що світиться, навколишнє область, звідки не може вирватися навіть світло. Це хороша новина для загальної теорії відносності Ейнштейна. Розмір сфотографованого EHT кільця точно узгоджується з її прогнозами.

У самому кільці можна побачити три яскраві регіони. За словами учасників проекту, вони бачили схожі освіти на всіх знімках Стрільця А*, але щоразу у різних частинах диску. Найімовірніше, це артефакти методу інтерферометрії, який вчені використали для побудови зображення. Комп’ютерна реконструкція також показала, що з великою ймовірністю чорна діра в центрі нашої галактики обертається проти годинникової стрілки вздовж осі, яка приблизно спрямована у бік Землі.

Знімок Стрільця А* став ще одним підтвердженням основ ОТО. Теорія старовини Ейнштейна знову витримала перевірку практикою, а вчені зможуть говорити, що в центрі нашої галактики знаходиться чорна дірка, не додаючи “ймовірно” або “швидше за все”.

Більше того, тепер у розпорядженні астрономів є зображення одразу двох чорних дірок, які сильно відрізняються за розмірами та активністю. Якщо гігант у центрі М87 викидає гігантські джети, наш рідний Стрілець А*, навпаки, перебуває у стані відносного спокою. Це дає астрофізикам можливість проводити порівняння та використовувати їх для тестування своїх теорій та моделей. І, нарешті, не варто забувати про екзотичні астрономічні гіпотези на кшталт мостів Ейнштейна — Розена чи білих дірок. Теоретично з часом EHT може бачити такі об’єкти. Якщо вони, звісно, існують.

З 2017 року EHT поповнився кількома новими обсерваторіями, тоді як багато його «базових» телескопів пройшли модернізацію, що підвищила їх технічні можливості. Учасники проекту кажуть, що їхні основні завдання на найближчі роки — пошук можливих джетів Стрільця А*, а також отримання першого в історії чорної діри.

А потім – хто знає? Ймовірно, настане день, коли на одному зі знімків EHT астрономи побачать кротову нору або ще щось дивовижніше.