Чёрная дыра в центре нашей галактики [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
Перед вами изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики — это Стрелец A*.
Сама черная дыра света не излучает, поэтому видим мы раскаленную плазму вокруг неё. Это второй в мире подобный снимок; его получила коллаборация телескопа горизонта событий — тоже команда, которая ранее показала нам черную дыру в галактике М87.
Изначально первым хотели получить изображение Стрельца A*, все-таки центр Млечного Пути в 2000 раз ближе, чем М87. Но наша черная дыра в тысячу с лишним раз меньше, так что с Земли она кажется всего немного крупнее той, что в галактике М87.
Есть еще несколько обстоятельств, которые мешали её рассмотреть. Во-первых, между нами и центром галактики много пыли и газа, так что в видимом спектре ничего не увидишь. Европейская Южная обсерватория создала визуализацию полёта к центру Млечного Пути. По мере продвижения в какой-то момент приходится переключаться на инфракрасный спектр, потому что он способен пробиться через толщу газопылевых облаков.
Последние 30 лет мы пытались рассмотреть центр галактики, и нам удалось увидеть нечто удивительное. Звезды причудливо двигались по разным эксцентрическим орбитам при этом невероятно быстро.
Одна, например, разгонялась до 24 миллионов метров в секунду — это восемь процентов от скорости света.
Все эти звезды, как будто, обращались вокруг какого-то очень массивного, но небольшого объекта, который, в отличие от них, не давал яркого излучения. Лишь иногда можно заметить, как он мерцает. Мы и решили, что это сверхмассивная черная дыра. Судя по движению ближайших к ней звезд, её масса составляет 4 миллиона масс Солнца, сжатых в очень маленькую точку — сингулярность.
Что угодно, попав, радиус Шварцшильда, в этой точке оказывается в сингулярности и больше не возвращается. А значит, увидеть мы можем только то, что находится за пределами этого радиуса. Например, раскаленную плазму, которую постепенно притягивает черная дыра. Учитывая размеры Стрельца A*, поглощать не так много вещества — это на удивление спокойный темный объект.
А вот черная дыра в центре М87 стягивает вещество аккреционного диска гораздо активнее, поскольку она в тысячу раз больше нашей. Оборот вокруг неё в тысячу раз дальше, а значит, наблюдать за ней с Земли гораздо проще; изображение получается стабильнее.
У нас же картинка меняется буквально каждую минуту, как это видно на изображениях в работе исследовательской группы. Луча нарезала из института GET ты во Франкфурте.
Но самая большая трудность в наблюдении обеих черных дыр состоит в том, что они очень компактны и очень далеко от нас. В небе кажутся совсем крошечными. Чтобы понять, насколько, мысленно поделите небо на 180 градусов — галактика Андромеды будет размером примерно 3 градуса. Теперь поделим один градус на 60 угловых минут, угловую минуту на 60 секунд, угловую секунду делим на 100, потом еще на 100, еще разок на 100. И вот вам размер черной дыры на нашем небе. Всё равно что фотографировать пончик на поверхности Луны.
У нас нет оптических телескопов, способных сделать такой снимок. В этом ролике я хочу ответить на 2 вопроса: как это всё-таки удалось и что же мы на самом деле видим?
Начнем с того, как удалось получить изображение черных дыр. Во-первых, изначально они сделаны в невидимом спектре, а с помощью радиоволн длиной 1 и 3 миллиметра.
Все наблюдения проводились с помощью радиотелескопов. Они чем-то похожи на огромные спутниковые тарелки. Волны, которые испускает источник, распространяются кругами во все стороны. Но черные дыры от нас так далеко, что когда волны достигают Земли, они идут практически параллельно друг другу. Получается почти плоская волна.
Радиотелескопы занимаются тем, что сканируют небо, поворачиваясь туда-сюда. Когда они попадают точно на источник, мы видим яркое пятно. Все волны проходят одно и то же расстояние, вместе отражаются от тарелки и попадают на приемник одновременно. Эти волны будут в фазе: вершины совпадают с вершинами, впадины — с впадинами.
Возникает конструктивная интерференция. Телескоп чуть разворачивается, и теперь одни волны проходят дальше, чем другие, оказываются не в фазе, и из-за деструктивной интерференции интенсивность сигнала сходит на нет. При этом чем рельефнее меняется интенсивность сигнала, тем четче изображение.
В идеале нужно сделать так, чтобы сигнал был максимальным, когда телескоп смотрит строго на источник, а тут же падал, стоило тарелке хоть немного отвернуться. Этого можно добиться двумя способами. Первый — ловить радиоволны высокой частоты, тогда даже небольшое движение тарелки будет сильно сказываться на интерференции, и, а значит, сигнал начнет слабеть быстрее. Второй способ — увеличить диаметр телескопа; таким образом мы увеличим разницу пути, которые проходят радиоволны до противоположных краев при развороте тарелки.
То, насколько точно телескоп способен нацелиться на источник радиоволн, называется угловым разрешением. От него зависит минимальный размер объекта на небе, который телескоп может разглядеть. Угловое разрешение прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна диаметру телескопа.
Сложность получения изображения черной дыры в том, что мы пытаемся детально рассмотреть очень маленький участок на небе. Мы сможем узнать о черной дыре, если телескоп хотя бы покажет сначала яркое пятно, затем темное пятно, затем снова яркое, уже с другой стороны.
Но вот проблема: ни у одного радиотелескопа на Земле нет достаточного углового разрешения. Даже на это направив его на черную дыру, мы будем улавливать радиоволны как с правой, так и с левой стороны одновременно. Разрешения не хватит, чтобы понять, на что мы смотрим: аккреционный диск черной дыры или светящееся облако газа.
Пытаться поймать волны короткой длины вряд ли имеет смысл: их практически не пропускает ни земная атмосфера, ни пыль и газ вокруг самой дыры. Получается, единственный рабочий способ поднять разрешение — увеличить диаметр телескопа. Если провести расчеты, получится, что телескоп нам нужен размером с Землю. И только тогда можно будет что-то разглядеть. Очевидно, построить его невозможно.
Зато можно придумать кое-что весьма похожее. На самом деле строить тарелку с планеты не обязательно — можно обойтись и фрагментами. Взять несколько телескопов подальше друг от друга, некоторые на расстоянии диаметра Земли. Если получится должным образом объединить их сигналы, мы получим такую же конструктивную и деструктивную интерференцию, которую бы дала нам тарелка размером.
Получается, радио интерферометр со сверхдлинной базой. Телескоп горизонта событий — это не один радиотелескоп, а глобальная сеть обсерваторий. Все они одновременно наблюдают за Стрельцом A*.
Но у нас нет какого-то общего приемника, на который можно было бы отразить пойманные волны и объединить их в реальном времени. Поэтому отдельные телескопы фиксируют сигналы, точное время получения — да, кем ты — секунды. Это петабайт данных, которые затем надо собрать в одном месте.
Оказалось, что быстрее всего взять жесткие диски, сесть в самолет и прилететь, куда надо. Теперь давайте подумаем, что это за данные — электрические сигналы, точное время их получения с разных телескопов, разбросанных по миру. Ни у одного из них нет достаточного углового разрешения, чтобы рассмотреть черную дыру. Как же сложить всё это и получить изображение более детально?
И чем входные данные? Как тут поможет относительное расстояние между телескопами и временная задержка получения этих сигналов каждым из них? Как совместить сигналы двух далеких друг от друга телескопов? Допустим, оба одновременно уловили одинаковые волны, то есть волны в фазе. Это значит, что источник находится ровно между ними, ведь радиоволны преодолели одно и то же расстояние и добрались до телескопов в один и тот же момент.
Правда, с двумя телескопами получится только линия в небе, одинаково удаленная от обоих. Источник может располагаться в любой точке на этой линии. Дальше хуже: возможно, источник расположен на одну длину волны ближе к одному телескопу, потому что в этом случае радиоволны все равно окажутся в фазе.
А может быть — на 2, на 3, на 4... В общем, проблема понятна. Взяв два телескопа, мы получим ряд ярких и темных полос. Если телескопы близко друг к другу, то полосы будут шире, а если далеко — уже.
Чтобы получить изображение, нужны несколько пар телескопов, направленных в разные стороны, на разном расстоянии друг от друга. У каждой пары будет своя интерференционная картина. Складываем их вместе, и получаем изображение черной дыры, которая и была источником сигналов.
Хорошо, картинка у нас есть, но что же мы на ней видим? Об этом я рассказывал накануне публикации первого изображения черной дыры. Вот моя игрушечная черная дыра.
Поверхность сферы — это горизонт событий. Даже если отсюда радиально направить к некоему абстрактному наблюдателю пучок света, ничего не будет видно. Радиус горизонта событий также называют радиусом Шварцшильда. Если бы мы наблюдали голую черную дыру, когда вокруг неё ничего нет, то снимка у нас не получилось бы — она бы просто поглотила всё попадающее на неё излучение.
Но вокруг черной дыры в центре галактики есть вещество в аккреционном диске. Он состоит из пыли и газа, которые скручиваются в бешеный раскаленный вихрь. Его температура исчисляется миллионами градусов, а скорость достигает значительной части скорости света. Черная дыра питается веществом, растет и растет, всё набирает и набирает массу.
Однако заметно, что аккреционный диск не доходит до самого горизонта событий. Почему так? Потому что там есть самая внутренняя устойчивая круговая орбита. Если черная дыра не вращается, радиус этой орбиты составляет 3 радиуса Шварцшильда. Скорее всего, черная дыра в центре нашей галактики вращается, но для простоты объяснений я буду говорить о статичной.
Если же вам интересны подробности, смотрите мои видео о вращающихся черных дырах. Итак, примерно здесь будет стабильная орбита. Близ черной дыры чуть материя сдвинется внутрь, и её тут же притянет, она даже привет нам не передаст.
Но кое-что может вращаться по более близкой орбите к черной дыре, и это свет. У света нет массы, и он неплохо себя чувствует на расстоянии в полтора радиуса Шварцшильда. Обозначим орбиту фотонов этим кольцом. Но строго говоря, можно было и по-другому: там целая сфера из орбит фотонов. Если вдруг окажетесь поблизости, не окажетесь, но представим, и посмотрите вперед, то увидите свой собственный затылок, из-за того что фотоны описывают полный круг.
Однако орбиты фотонов на этой сфере неустойчивы: они либо отклоняются внутрь и исчезают во тьме, либо вылетают наружу и устремляются в бесконечность. Мне хотелось бы остановиться вот на каких вопросах: что это за тень черной дыры такая на снимке и как в этой схеме выглядит то, что, собственно, происходит вокруг черной дыры?
Это тот самый горизонт событий — его мы искали, или эта фотонная сфера, или устойчивая круговая орбита? Что ж, не так уж тут все просто. Дело в том, что черные дыры искривляют пространство-время, а значит, вблизи них меняется направление лучей света.
Они распространяются не по прямой, как мы привыкли, в смысле по прямой, но пространство-время изогнуто, так что и путь света изогнут. Наверное, удобнее всего представить, что от наблюдателя сюда направлены параллельные лучи и взаимодействуют со всем этим великолепием. Если они пересекут горизонт событий, мы навсегда потеряем их в темноте и больше никогда не увидим. Если луч пройдет прямо над горизонтом событий, он изогнется, направится в сторону черной дыры и все равно исчезнет. Даже если свет пройдет на расстоянии орбиты, где обращаются вокруг черной дыры фотоны, его и загнет внутрь за горизонт событий.
Всё это значит, что наименьшее расстояние, на котором свет может пройти близ этого объекта и не потеряться для нас с вами — 2,6 радиуса Шварцшильда. При таком раскладе свет слегка заденет фотонную сферу и затем устремится прочь в бесконечность, а нам останется некая тень, вроде вот такого пятна, размерами в 2,6 раза больше горизонта событий.
Итак, на что же мы с вами всё-таки смотрим? Что это за тень? В её центре — горизонт событий, он как раз идеально ляжет в середину этого пятна. Но если задуматься, мы поймем, что свет снизу и сверху тоже, в конце концов, попадает за горизонт событий просто с другой стороны.
И в конечном итоге мы получаем здесь по краям еще и затылок нашей тени. Получается, рассматривая черную дыру с одной стороны, из одной точки пространства, мы видим сразу весь её горизонт событий. Может, конечно, не стоит говорить, что прям видим, все же там сплошная чернота. Однако же именно то, что я описал, будет в этой тени.
Дальше хуже: ведь свет может скрыться позади, а потом вернуться и уже спереди, его у тянет внутрь. Выглядеть это будет как еще одно изображение горизонта событий, и еще одно, еще одно, по мере приближения границы теней, подобных изображений будет становиться бесконечно много.
Так какой же свет мы увидим ближе всего к тени? Это лучи, направленные к черной дыре под таким углом, что они касаются фотонной сферы, но потом возвращаются к телескопам. Они создадут ту самую тень в 2,6 раза больше горизонта событий. И смотри, мы на все это перпендикулярно аккреционном диске.
Так бы было, но, скорее всего, угол обзора у нас случайный, может даже совсем сбоку. И как быть — увидим ли мы ту самую тень черной дыры? Если вам показалось, что нет, то вы ошиблись. Как я говорил, черные дыры искажают пространство, время и свет, так что мы заодно видим заднюю часть аккреционного диска.
Лучі света от него огибают окружность сверху и снизу, а затем их улавливают телескопы. В итоге мы сможем увидеть нечто вроде этого: снизу аккреционного диска происходит то же самое. Свет огибает его и направляется к нам, а в результате получается что-то очень похожее на черную дыру из фильма "Интерстеллар". Но это еще не все. Свет, который испускает аккреционный диск, может огибать черную дыру, касаться фотонной сферы и появляться внизу, примерно вот здесь, тоненьким светящимся кольцом под тенью.
Точно таким же образом свет в нижней передней части аккреционного диска может обогнуть все это сзади и оказаться на верху. И там мы тоже увидим яркое колечко. Вот что мы увидим, если сможем подобраться к черной дыре достаточно близко.
Впечатляющее зрелище! Еще один важный момент: вещество в аккреционном диске движется очень быстро, близкой к скорости света, а значит, вещество, которое к нам приближается, будет казаться гораздо ярче, чем то, которое удаляется. Это называется доплеровским усилением.
В итоге какая-то часть диска будет светиться сильнее всего остального, и на снимке появится яркое пятно. Надеюсь, у меня получилось примерно объяснить, что мы видим, когда смотрим на изображение черной дыры. Переведено и озвучено студией Вирт Дайдар.