12 мая 2022 года была официально подтверждена ранее высказанная теория о строении спиральной галактики Млечный Путь. Именно в этот день состоялась конференция ученых проекта Event Horizon Telescope (EHT), на которой были обнародованы изображения сверхмассивной черной дыры Стрелец А*, которая находится в самом центре нашей галактики.
История черных дыр
Еще в 1915 году из предложенной Альбертом Эйнштейном "Общей теории относительности" были выведены уравнения Эйнштейна — Гильберта, описывающие гравитационные поля. В том же году одно из точных решений этих уравнений было получено Карлом Шварцшильдом. Из него следовало, что в космическом пространстве должны существовать такие 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). Тогда подобные астрофизические объекты называли "сколлапсировавшие звезды" или "застывшие звезды". Но в 1967 году американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уиллер в своей лекции "Наша Вселенная: известное и неизвестное" популяризировал название "черная дыра" применительно к таким областям. Кто именно придумал это емкое и будоражащее воображение определение, доподлинно неизвестно, но с этого времени черные дыры заняли мысли многих.
Эти области огромного гравитационного притяжения долгое время существовали исключительно как теоретические объекты, открытые лишь благодаря вычислениям и следованию общей теории относительности. Потрогать черную дыру или даже увидеть ее нет никакой возможности — кванты света не покидают черной дыры, а значит, для наблюдателя сам объект остается невидимым. Ее существование подтверждается только тем, как такие объекты воздействуют на звезды, которые находятся поблизости.
Телескоп горизонта событий
Если саму черную дыру увидеть нельзя, то есть все-таки возможность увидеть светящийся газ вокруг нее: свечение вращающегося по орбите и постепенно падающего в дыру вещества — аккреционного диска. Для этого был создан проект Event Horizon Telescope ("Телескоп горизонта событий"), который представляет собой целую сеть из восьми радиотелескопов-интерферометров, объединяющих данные нескольких станций интерферометрии с очень длинной базовой линией (VLBI) по всей Земле. То есть раскиданные по разным точкам нашей планеты телескопы работают как единый гигантский виртуальный радиотелескоп с диаметром антенны, близким к диаметру Земли.
Телескоп фиксирует фронт одной электромагнитной волны от источника в разные временные промежутки. Затем благодаря специальным атомным часам данные синхронизируются. Это позволяет увеличить угловое разрешение телескопов до нескольких десятков угловых микросекунд при наблюдении за одним объектом с разных точек Земли.
В астрономии при измерении плоских углов в градусных мерах используется такая единица, как угловая секунда. Она примерно соответствует углу, под которым виден футбольный мяч с расстояния около 45 км. В случае телескопа EHT мы имеем дело со стотысячными долями угловой секунды. Для наблюдения с Земли черная дыра на расстоянии тысяч световых лет имеет примерно такой же угловой размер, как и апельсин на расстоянии от Земли до Луны. Поэтому для его наблюдения и требуется такая система из нескольких интерферометров.
Минус этой системы в том, что синхронизированные данные наблюдений, полученные со всех телескопов, требуется сводить вместе при помощи долгих и очень ресурсоемких компьютерных вычислений. То есть наблюдения длятся днями, а затем месяцами, а то и годами обрабатываются полученные данные.
От Мессье 87 до Стрельца А*
Первое изображение тени черной дыры было опубликовано 10 апреля 2019 года. "Моделью" стала сверхмассивная черная дыра из Мессье 87 — сверхгигантской эллиптической галактики, крупнейшей в созвездии Девы. Несмотря на большую удаленность — 53,5 млн световых лет от Земли, — Мессье 87 очень удобна для наблюдения. Это один из самых массивных объектов, известных науке, — масса этой сверхмассивной черной дыры составляет примерно 3,5 млрд масс Солнца. К настоящему времени известны лишь две сверхмассивные черные дыры с большим размером.
Полученная учеными картинка воображение не поражает — оранжевый бублик, словно снятый на некачественную камеру телефона. Однако стоит понимать, что вот этот самый "бублик" — это диск из светящегося газа, вращающийся вокруг черной дыры со скоростью около 1 000 км/с и достигающий в размерах половины светового года (к примеру, космические аппараты "Вояджер", летящие от Земли уже несколько десятков лет, пролетели меньше тысячной доли этого расстояния). Масса газа, падающего в черную дыру, достигает примерно одной массы Солнца каждые десять лет.
Возможность увидеть это при помощи гигантского виртуального интерферометра стала одним из наиболее интересных достижений в астрофизике в течение последних десятилетий. Естественно, что сразу после первого опыта ученые решили сосредоточиться на наиболее важной для Земли черной дыре, которая находится в центре нашей галактики Млечный Путь.
Астрофизики довольно давно высказывают предположение, что в центре спиральных галактик, к которым относится и Млечный Путь, должно находиться сверхмассивное небесное тело, которое служит центром масс и вокруг которого вращается галактика. Еще в прошлом веке говорилось, что таким телом может быть сверхмассивная черная дыра — именно такой вывод подсказывали уравнения Эйнштейна. Но предполагать недостаточно, необходимо было доказать это.
Черная дыра в центре нашей галактики гораздо меньше в размерах, чем в Мессье 87: она легче в тысячу раз — составляет примерно 4 млн масс Солнца. Но и расстояние до нее гораздо ближе — 27 тыс. световых лет. По заверениям астрономов, наблюдать ее гораздо сложнее, так как на пути до нее много мешающих объектов. Тем не менее 12 мая этого года было обнародовано ее изображение, подтвердившее теоретические изыскания.
Надо сказать, что уже в 2002 году международная исследовательская группа Института Макса Планка во главе с Райнером Шёделем сообщила о наблюдениях движения звезды S2 вокруг объекта Стрелец A*. Они доказывали, что Стрелец A* — объект огромной массы, непосредственно влияющий на звезды в центре Млечного Пути, что соответствует представлениям о черных дырах. В 2008 году эти наблюдения были уточнены, дана вычисленная масса Стрельца А*. К предположению, что это черная дыра, независимо пришла и другая группа исследователей из обсерватории Кека под руководством Андреа Гез. Там подтвердили вычисления коллег. В 2020 году Андреа Гез и Райнхард Генцель получили по "четвертинке" Нобелевской премии "за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики".
Почему "четвертинка"? Дело в том, что в 2020 году Нобелевскую премию по физике разделили на части и вторую половину отдали Роджеру Пенроузу — британскому астрофизику, "за открытие того, что образование черных дыр с необходимостью следует из общей теории относительности".
И вот спустя два года команда ученых проекта Event Horizon Telescope смогла получить изображение этой самой сверхмассивной черной дыры, доказавшее правильность теоретических вычислений и расчетов.
Отмечу, что опасаться жителям Земли этой черной дыры не стоит. Она слишком далеко, и даже то, что она находится в центре нашей галактики, никак не влияет на жизнь землян. Тем не менее, думаю, стоит порадоваться за ученых, совместная многолетняя работа которых позволила человечеству приоткрыть еще одну завесу тайн мироздания, лучше понять окружающую нас вселенную и вновь подтвердить, что Альберт Эйнштейн был прав.