Як сфотографувати чорну діру?

1. А щоб дістатися до центру Чумацького Шляху, нам доведеться покрити дистанцію в 26 тис. Світлових років!...
2. З чорними дірами інша справа. Наприклад, якщо перетворити Сонце в одну з них, то при колишній масі...
3. Що стосується чорної діри, то «зіткнутися» з її поверхнею, як із Землею, Місяцем або навіть з «киплячим»...
4. Чорна діра - це не зовсім предмет, це якась область простору, у якій є межа, але немає поверхні. Для...
5. Якби тут було багато масивних тіл, то траєкторії зірок представляла б собою хитромудрі лінії, з зигзагами,...
6. Ці дані неточні, за різними підрахунками, розмір чорної діри може дорівнювати її гравітаційного радіусу...
7. Об'єкт Sgr A * - СМЧД. Радіовипромінювання (показано блакитним) виходить не з центру, а з області,...
8. Для впевненого спостереження настільки далекого об'єкта, розташованого в 26 тис. Світлових років...
9. Максимум, що ми зможемо розглядати, - це речовина навколо темної структури, що нагадує диск, матерію,...
10. Отримати додаткову інформацію по темі можна тут:

Ми живемо на планеті Земля, і нам важко уявити розміри Галактики або навіть Сонячної системи. Політ в космос, на орбіту МКС, - це 400 км вгору, а на Місяць - 400 тис. Км, в 1000 разів далі. Світло від Сонця проходить 150 млн км, перш ніж потрапити в атмосферу нашої планети. Автоматичні міжпланетні станції, які борознять простори Сонячної системи і навіть вийшли за її межі (За даними НАСА - «Вояджер-1»), полетіли від нас на 10 млрд км, в 100 разів далі, ніж від Землі до Сонця. Якщо за 1 см на метровій лінійці прийняти відстань від Землі до Сонця, то до Вояджера буде 1 метр.

Передбачуваний розмір Сонячної системи (з хмарою комет Оорта ) - від 1 до 3 світлових років, тобто світло з одного краю до іншого летить більше року.

А щоб дістатися до центру Чумацького Шляху, нам доведеться покрити дистанцію в 26 тис. Світлових років! Якщо взяти всю Сонячну систему за 1 мм, то це відстань вміститься на 10-метровій стрічці.

Щоб оцінити розміри Галактики (а Сонце знаходиться на периферії), досить зробити один оборот навколо її центру, який займе 230 млн років! Якби ми почали вважати в ті далекі часи, коли нашу планету ще населяли динозаври, то зараз ми якраз завершили б перший виток. Непогане подорож. З моменту утворення Землі Сонячна система зробила приблизно 20 обертів навколо центру Галактики із середньою швидкістю близько 850 тис. Км / год. Природно, це приблизне значення, отримане на основі спостережень і розрахунків.

Швидкості зірок на периферії Галактики і близько до її центру практично не різняться - ймовірно, через те, що, крім звичайної матерії, простір заповнений також темною речовиною (поки це гіпотеза), яке і «розганяє» тіла на околицях нашої «острівної всесвіту ».

Правда, в самому центрі Чумацького Шляху зірки вже рухаються в 2, 3 і навіть в 20 разів швидше Сонця. Відбувається це тому, що тут, за припущеннями вчених, знаходиться надмасивних компактний об'єкт - можливо, чорна діра (ЧД), яка володіє величезною масою і змушує найближчі до неї тіла летіти навколо неї з величезними швидкостями, щоб вони могли залишатися на своїх орбітах. Приблизно як якби ви тримали когось за руки і розкручувалася, тільки замість хватки - величезна сила тяжіння.

Слово «надмасивних» означає, що цей об'єкт в сотні тисяч, мільйони і навіть мільярди разів важча за Сонце або звичайних так званих чорних дір зоряної маси (для зручності введемо скорочення ЧДЗМ), порівнянних за «вагою» з будь-яким світилом в Галактиці. А ще астрономи люблять вважати маси інших об'єктів у Всесвіті в масах Сонця.

Перед тим як говорити про надмасивних чорних дірах (СМЧД), варто розібратися, що ж таке чорна діра взагалі, чому саме цей об'єкт може знаходитися в центрі Чумацького Шляху, а не який-небудь інший.

Будь-яке тіло у Всесвіті має фундаментальної характеристикою - масою. Далі йде радіус об'єкта, або його розмір. Маса будь-якої зірки навряд чи перевищує 300 мас Сонця ( R136a1 є найбільш «важкої» зі знайдених на сьогоднішній день - приблизно 315 мас Сонця), а ось її радіус може бути практично яким завгодно - від десятків (у білих карликів і нейтронних зірок) до мільярдів кілометрів ( UY Щита має діаметр 2,4 млрд км, а «важить» всього близько 10 мас Сонця).

Найбільші за розміром зірки мають сверхмалой щільністю, тому і маса у них відносно невелика. Згадана UY Щита перевершує за обсягом Сонце в 5 млрд раз, а значить, середня щільність її речовини в мільйони разів менше.

З чорними дірами інша справа. Наприклад, якщо перетворити Сонце в одну з них, то при колишній масі її розмір буде всього лише 3 км, а Земля і зовсім «скукожітся» до 1 см.

Природно, ні наше світило, ні - то й поготів - планета, на якій ми живемо, ніколи чорними дірами не стануть: їм недостатньо маси, щоб під дією гравітації так сильно ущільнитися. подібна доля чекає тільки важкі зірки (Від 15 мас Сонця) в кінці їх еволюції після вичерпання матеріалу для термоядерних реакцій, коли внутрішній тиск вже не зможе утримувати зовнішні шари і вони почнуть падати в центр. В іншому випадку центр перетвориться на нейтронну зірку, а зовнішні шари будуть викинуті - відбудеться спалах наднової. Все залежить тільки від початкової маси об'єкта.

Як виникають ЧДЗМ, більш-менш зрозуміло. А ось процес формування надмасивних чорних дір, на жаль, вчені поки що уявляють собі досить смутно. Існують дві основні гіпотези: 1) поступове нарощування маси в результаті падіння речовини на ЧДЗМ; 2) колапс великих газових хмар і їх перетворення в зірку масою в кілька сотень тисяч мас Сонця або більше.

Тобто в центрі Галактики, за спостереженнями вчених, повинен бути компактний об'єкт розміром в декілька мільйонів кілометрів (не менш 12 млн, але до 6 млрд) і масою в кілька мільйонів мас Сонця - тобто як UY Щита, але в 500 тис. Разів важче. Це не може бути зірка, інакше вона просто перетворилася б в чорну діру (що і відбувається з тілами в 15-20 мас Сонця - а тут кілька мільйонів!).

За фантастичним фільмам і науково-популярній літературі ми знаємо, що до чорних дірок краще не наближатися: у них є якийсь горизонт подій - подолавши цю рису, ви вже не зможете повернутися назад ... Та й на підльоті вас розірве на атоми приливними силами, а ще раніше - вб'є смертоносним рентгенівським випромінюванням від газу, який обертається навколо чорної діри. Що й казати, перспектива жити близько такого космічного монстра не дуже-то райдужна.

Найпростіше уявити горизонт подій як точку неповернення для літака - лінію, пролетівши яку він вже не зможе повернутися на аеродром, так як йому не вистачить палива. Або як наш земний горизонт: коли корабель пливе за нього, ми перестаємо бачити судно.

Це уявна риса: земної горизонт не має поверхні, точно так само як чорна діра і деякі інші тіла. Навіть Сонце «кипить», і у нього немає чіткої межі. Природно, це лише аналогія, насправді ми можемо окреслити якийсь обсяг і сказати, що ось тут воно є, а тут його вже немає.

Що стосується чорної діри, то «зіткнутися» з її поверхнею, як із Землею, Місяцем або навіть з «киплячим» Сонцем, у нас не вийде - ми просто будемо падати до самої сингулярності (її центру) все швидше і швидше.

Світло, що потрапляє в ЧД, не може відбитися від поверхні, оскільки її просто немає. Якщо фотони летять по траєкторії, яка проходить через горизонт подій, ми вже не побачимо їх ніколи і для нас в цьому місці нічого не буде - одна чорнота. Уявіть собі коробку, зсередини покриту чорним оксамитом, з проробленим в ній отвором. Воно не має поверхні, але промінь світла, що потрапляє в нього, вже не повернеться до нас назад. І ми бачимо чорний кружок - або, якщо говорити про космос, чорну діру.

Хоча світло і не має маси спокою, він володіє енергією, з якою в рамках Загальної теорії відносності (ЗТВ) взаємодіє гравітація, а значить, фотони теж будуть притягатися до ЧД. Її масавикривляє простір-час. Промінь світла, рухаючись по ньому, потрапляє в її влада. Він може спрямуватися прямо в центр діри крізь горизонт подій і «канути» там, стати недоступним для наших поглядів. Якщо ж фотони минули цей зловісний об'єкт, їх траєкторію все одно змінить його гравітація. Тоді ми побачимо спотворений фон і щось темне в центрі - це і буде чорна діра.

Такий ефект називається «Гравітаційним лінзуванням ». Викривлене за рахунок маси об'єкта простір-час виступає в якості лінзи - змінює напрямок фотонів. Якщо ЧД буде проходити на тлі яскравої зірки, то світло від неї спотвориться і ми зможемо за цією картиною визначити масу об'єкта-лінзи і побічно довести існування самої чорної діри.

У 2016 році вчені отримали підтвердження існування ЧДЗМ. Це практично пряме спостереження таких об'єктів, правда не в оптиці, а за допомогою реєстрації хвиль простору-часу гравітаційно-хвильовими обсерваторіями.

Крім двох уже названих типів, вчені виділяють також чорні діри проміжної маси (їх назва говорить сама за себе), які, можливо, знаходяться в центрі кульових зоряних скупчень, а також первинні ЧД, імовірно виникли при зародженні Всесвіту, після Великого вибуху. Але поки ніяких серйозних наглядових даних за цими двома типами немає і вони є лише гіпотетичними.

Відомий популяризатор науки астрофізик С. Б. Попов зазначає, що існує два підходи до цього поняття, а тому виникає певний дуалізм: «Для фізика чорна діра - це об'єкт, що володіє певними внутрішніми властивостями. Найголовнішим і цікавим є наявність горизонту.

Чорна діра - це не зовсім предмет, це якась область простору, у якій є межа, але немає поверхні. Для астрофізика чорна діра - це об'єкт, який проявляє себе як чорна діра.

З точки зору астрофізики ми насправді не знаємо, чорні діри чи це, і "чернодирность" тих об'єктів, які ми спостерігаємо, просто сама консервативна гіпотеза. Для астрофізика чорна діра - об'єкт, що володіє певними спостерігаються проявами. Це компактний об'єкт, його розмір повинен бути близько спостережуваного розміру горизонту, ніяких ознак поверхні не повинно проявлятися ».

Що ж стосується об'єкта в центрі Чумацького Шляху, то все вказує на існування там надмасивної чорної діри. Навряд чи тут збилися в купу нейтронні зірки або ЧДЗМ (які важча за Сонце всього лише в кілька разів). Навіть якби так і було, згодом вони все одно злилися б в одну СМЧД.

Природно, вчені перевірили і цю гіпотезу - і відразу ж відкинули її. Траєкторії зірок, орбіти яких оперізують зазначену область, виявилися гладкими, якими вони бувають, якщо один об'єкт обертається навколо іншого, сферично симетричного, що знаходиться в центрі в єдиному екземплярі, але не навколо декількох чорних дір.

Якби тут було багато масивних тіл, то траєкторії зірок представляла б собою хитромудрі лінії, з зигзагами, що виникли внаслідок тяжіння кожної з дірок.

Поки в усі, що було сказано вище, важко повірити. Величезний масивний об'єкт знаходиться в центрі нашої Галактики - і ми до сих пір толком нічого про нього не знаємо ?! Але нам відома його маса: вона дорівнює, за різними оцінками наукових груп, 4-4,3 млн мас Сонця. Закони Кеплера і Ньютона дозволили обчислити її після того, як були виміряні швидкості зірок, які рухаються навколо цього об'єкта по своїх орбітах, приблизно як планети навколо Сонця, тільки в різних площинах.

За останніми оцінками астрономів ( спостереження 2013 року ), Кутовий діаметр об'єкта вийшов рівним 30 μas (мікросекунди дуги). 1 хвилина дуги (1 кутова хвилина) - це максимальний дозвіл нашого ока, в ній 60 секунд, а 1 мікросекунда становить 1/1000000 секунди - вкрай мала величина. Або близько 40 млн км (трохи менше, ніж від Меркурія до Сонця) з відстані в 26 тис. Світлових років.

Ці дані неточні, за різними підрахунками, розмір чорної діри може дорівнювати її гравітаційного радіусу (12 млн км) - або досягати 45 а. е. (1 астрономічна одиниця - відстань від Землі до Сонця, близько 150 млн км).

Побачити сам об'єкт не можна ні в одному з діапазонів, ні в радіо, ні в оптиці, причому в останньому випадку проблематично розглянути навіть околиці СМЧД: в центрі Чумацького Шляху багато пилу, вона блокує видиме світло. Інфрачервоне випромінювання (ІК) може проникати крізь «туман» цих частинок, так як довжина хвилі ІК приблизно дорівнює їх розмірами, але найкраще для таких завдань підходять радіохвилі: космічний пил практично не поглинає їх.

Верхня межа розміру був встановлений саме на підставі спостережень центру Чумацького Шляху через великі радіотелескопи, об'єднані в так званий радіоінтерферометр з наддовгих базою (РНДБ). Єдиний об'єкт, який може бути таким потужним і мати радіус порядку 1 а. е., - це чорна діра.

Об'єкт Sgr A * - СМЧД. Радіовипромінювання (показано блакитним) виходить не з центру, а з області, що знаходиться поблизу горизонту подій, від газу, який ось-ось впаде на чорну діру

Як і багато на небі, вказане джерело радіовипромінювання в центрі Галактики, найпотужніший в сузір'ї Стрільця (воно південне, тому його майже не видно з Росії), має свою назву - Стрілець A (Sagittarius A, скор. Sgr A). А компактний об'єкт позначили терміном Стрілець А * (читається як «Стрілець А із зірочкою»): коли його вперше помітили (13 і 15 лютого 1974 роки), що виходив від нього випромінювання в радіодіапазоні було настільки сильним, що автори дали йому ім'я по аналогії з збудженим станом атомів, яке також позначається зірочкою. А ще цей символ вказує на те, що об'єкт навіть для найбільших телескопів видно як компактне джерело радіовипромінювання.

Це випромінювання міліметрової частоти може проникати крізь товщу пилу на шляху до Землі. Для таких радіохвиль немає перешкод на своєму шляху через всю Галактику. Але наша тонка атмосфера, що містить водяну пару, блокує їх і змушує вчених розташовувати радіотелескопи в найбільш посушливих місцях планети з низькою вологістю, де практично відсутні опади.

Для впевненого спостереження настільки далекого об'єкта, розташованого в 26 тис. Світлових років від нас, буде потрібно телескоп з діаметром тарілки 10 000 км.

Побудувати його досить важко: у самій Землі діаметр всього 12 700 км. Тому вчені придумали спосіб компонувати отримані дані з різних приладів в єдину картину, таку ж, яку отримав би радіотелескоп, якби його тарілка була розміром з нашу планету. Проект отримав назву The Event Horizon Telescope - міжконтинентальний віртуальний Телескоп горизонту подій.

Об'єднавши кілька міліметрових радіотелескопів в «мережу», вчені отримали величезний радіоінтерферометр . Такий спосіб отримання високого дозволу на малих радіотелескопах називається методом апертурного синтезу : Якщо взяти дві антени, розташовані на відстані D (база) один від одного, то сигнал від джерела до однієї з них буде приходити трохи раніше, ніж до другої. Якщо сигнали проінтерферіровать (окремо зібрати інформацію з кожного телескопа, а потім її об'єднати, імітуючи інтерференцію на комп'ютері, тобто збільшення і зменшення амплітуди при накладенні хвиль один на одного), то ми отримаємо результуючий сигнал. А потім за допомогою спеціальної математичної процедури - редукції - отримаємо інформацію про джерело з ефективним дозволом λ / D, де λ - довжина хвилі. Тобто ми обмежені вже не габаритами тарілок приладів, а відстанню між ними. А значить, можна створити віртуальний телескоп розміром з Землю!

Більшість радіоінтерферометрів використовує обертання Землі для збільшення числа орієнтацій бази (відстані між телескопами A і B), включених в спостереження. На малюнку нижче наша планета зображена у вигляді сірої сфери, а база (відрізок AB) з часом змінює кут. Ця картинка буде спостерігатися, якщо дивитися на обертову Землю з центру Галактики.

Така схема використовується і в Телескопі горизонту подій, тільки приладів вже не два, а відразу декілька.

Всі отримані лінії вимірювань накладаються один на одного і «зливаються» в єдину картину.

Щоб зрозуміти, наскільки зросла роздільна здатність після об'єднання цих телескопів в мережу, уявіть, що у нас з'явилася можливість розгледіти апельсин на Місяці або стрілку на наручний годинник на відстані 12 000 км (зрозуміло, якщо б вони випромінювали в радіо).

Щоб об'єднати два телескопа в інтерферометр, не обов'язково тягнути кабель або налагоджувати радіозв'язок між ними. Важливо записати приходять дані на жорсткі диски, а вже потім провести подальшу їх обробку. Так і вчинили в цьому випадку.

На жаль, через нельотну погоду виникли невеликі труднощі з доставкою вінчестерів з Антарктиди. Поки не будуть зібрані дані з усіх телескопів (а їх величезна кількість - тисячі жорстких дисків, і передати всю цю інформацію по інтернету просто неможливо), єдину і повну картину сформувати не вийде.

Якщо говорити про російські розробки в цій галузі, то в першу чергу необхідно згадати радіоінтерферометр «Радіоастрон» : Дані записуються на космічному телескопі і потім по радіо передаються на Землю, де їх об'єднують на спеціальному коррелятора - суперкомп'ютері для апертурного синтезу. На жаль, «Радіоастрон» не зміг взяти участь у спостереженнях, так як довжини хвиль, на яких він працює, в 10 разів більше, ніж необхідно, щоб «пробитися» крізь пил в центрі Галактики.

На даний момент спостережні дані зібрані в одному місці і вже обробляються, так що досить скоро ми побачимо перші синтезоване зображення тіні (силуету) чорної діри, того, що знаходиться безпосередньо біля обрію подій, - але не її саму, бо вона випромінює недостатньо, щоб ми могли її помітити (якщо не враховувати гіпотезу про випромінювання Хокінга).

Максимум, що ми зможемо розглядати, - це речовина навколо темної структури, що нагадує диск, матерію, яка згодом піде за горизонт подій, а точніше - випромінювання від неї.

Тінь чорної діри вийде не повністю темної, тому що деяка кількість речовини знаходиться між нею і спостерігачем. Одна частина буде яскравіша за іншу через ефект Доплера: матерія обертається навколо ЧД, ліва половина летить до нас, права - від нас.

Але що, якщо ми побачимо щось ще? Керівник команди Шеперд Дуелеман з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики рассказал BBC в одному зі своїх інтерв'ю: «Сперечатися з Ейнштейном - марна справа, але ми можемо побачити щось, що не відповідає нашим очікуванням, і тоді нам доведеться переглянути теорію гравітації».

«Навіть якщо перші зображення будуть поганенький і розмитими, ми вперше зможемо перевірити ряд основних передбачень теорії відносності Ейнштейна на прикладі екстремальних умов в чорних дірах», - передає слова радіоастронома Хайно Фальке з Університету Неймегена National Geographic.

Отримати додаткову інформацію по темі можна тут:

postnauka.ru

eventhorizontelescope.org

twitter.com/ehtelescope

facebook.com/ehtelescope