Фото черной дыры в центре Млечного Пути: почему это важно
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.
Читайте также
Получены первые снимки тени сверхмассивной черной дыры в центре Галактики
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.
Что такое интерферометрия?
Этот метод использует интерференцию, то есть разделение пучка электромагнитного излучения или радиоволн на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из них проходит свой путь до решетки радиотелескопа, после чего создается единая интерференционная картина наблюдения. Этот метод позволяет вместо одного гигантского телескопа построить несколько меньшего размера, разместить их на расстоянии друг от друга и получить телескоп с большим угловым разрешением
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.
Читайте также
В древней галактике обнаружили несколько «зародышей» сверхмассивной черной дыры
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.
Читайте также
Скованные одной цепью: что будет с МКС, если Россия уйдет
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.
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора. Цитирование разрешено со ссылкой на tass.
ru
Первый взгляд на чёрную дыру в центре Млечного пути
12 мая 2022 года астрономы представили первое изображение сверхмассивного объекта в центре нашей Галактики. Результаты исследования предоставляют важные сведения о поведении подобных объектов и дают надёжные доказательства, что это действительно чёрная дыра.
10 апреля 2019 года исследовательский коллектив под названием «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT) опубликовал первое изображение сверхмассивной чёрной дыры внутри галактики Мессье 87. Этот успех позволил астрономам перейти к изучению аналогичного объекта в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Наблюдения были проведены в 2017 году. Затем более 300 исследователей из 80 институтов по всему миру усердно работали в течение пяти лет над объединением, обработкой и анализом данных, используя суперкомпьютеры. Одновременно они собирали беспрецедентную библиотеку смоделированных чёрных дыр для сравнения с наблюдениями.
Изображение Sgr A*, сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. Видна темная центральная область (называемая тенью), окруженная яркой кольцеобразной структурой.
Карта размещения обсерваторий Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope), включающий восемь обсерваторий в шести местах (ESO)
‹
›
Открыть в полном размере
Чёрные дыры — необычные космические объекты, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Они имеют гигантские массы и небольшие размеры. Их гравитация настолько велика, что не позволяет «убежать» от них даже свету. Поэтому сами чёрные дыры увидеть нельзя. Но благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства, заставляя его нагреваться и излучать. Это излучение и фиксируют астрономы. Так что изображение, полученное астрономами, — это не фотография чёрной дыры, а скорее её силуэт, «тень», на фоне светящегося вещества — тёмная центральная область, называемая тенью, окружённая яркой кольцеобразной структурой, форма которой определяется общей теорией относительности.
Ранее учёные наблюдали звёзды, обращающиеся вокруг невидимого, компактного и очень массивного, в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца, объекта в центре Млечного Пути, названного Стрелец A* (Sgr A*). Эти исследования доказали, что он представляет собой чёрную дыру и были удостоены Нобелевской премии по физике за 2020 год. Подробно об этом можно прочитать в статье «Долгожданное признание чёрных дыр». И вот, наконец, получено изображение, подтверждающее ранее сделанные выводы, и позволяющее продолжать исследования на новом уровне.
Получить изображение чёрной дыры в Млечном пути оказалось значительно сложнее, чем для M 87*, хотя Sgr A* гораздо ближе к нам. Дело в том, что вещество в окрестности чёрной дыры движется почти со скоростью света.
Но вокруг огромной чёрной дыры в M 87* ему требуется от нескольких дней до нескольких недель, чтобы совершить оборот, а около значительно меньшего Sgr A* оно совершает полный оборот за считанные минуты. Это приводит к тому, что яркость и структура газа вокруг Sgr A* быстро меняются за время наблюдений. Как пошутил один из астрономов, они предпринимали что-то вроде попытки сделать чёткий снимок щенка, быстро гоняющегося за своим хвостом. Исследователям пришлось разработать новые сложные инструменты, которые учитывали бы движение газа вокруг Sgr A*. Если M 87* была лёгкой и устойчивой целью, и почти все её изображения выглядели одинаково, то с Sgr A* ситуация была совершенно иной. Поэтому изображение чёрной дыры Sgr A* представляет собой среднее значение различных изображений.
Тем не менее, обе чёрные дыры выглядят удивительно похожими, несмотря на совершенно разные типы галактик и разницу в массе более чем в тысячу раз. Поразительная похожесть этих чёрных дыр вблизи края говорит нам, что там ими «управляет» общая теория относительности, и любые различия, которые мы видим дальше, должны быть связаны с различиями в окружающем их материале.
Теперь астрономы смогут изучить различия между этими двумя сверхмассивными чёрными дырами, чтобы получить новые ценные сведения о том, как протекают процессы, играющие огромную роль в космологии, и как гравитация ведёт себя в экстремальных условиях.
Телескоп горизонта событий в этом исследовании объединил восемь радиообсерваторий, расположенных в разных концах Земли, превратив их в огромный телескоп, обладающий большой разрешающей способностью, то есть способностью различать мелкие детали на огромном расстоянии. Поскольку чёрная дыра в Млечном пути находится на расстоянии около 27 000 световых лет от Земли, на небе она имеет примерно такой же размер, как теннисный мяч на Луне.
Что на самом деле показывает изображение черной дыры Млечного Пути | Наука
Черная дыра Млечного Пути, Стрелец А* Абхишек Джоши / UIUC Черные дыры хранят свои секреты в секрете.
Они заключают в тюрьму навсегда все, что входит. Свет сам по себе не может избежать голодного притяжения черной дыры.
Казалось бы, черная дыра должна быть невидимой — и сфотографировать ее невозможно. Вот такая фанфара сопровождала релиз в 2019 году.первое изображение черной дыры. Затем, весной 2022 года, астрономы представили еще одну фотографию черной дыры — на этот раз в центре нашего Млечного Пути.
На изображении показана оранжевая капля в форме пончика, которая очень похожа на более раннее изображение черной дыры в центре галактики Мессье 87. Но черная дыра Млечного Пути, Стрелец A*, на самом деле намного меньше первой и его было труднее увидеть, поскольку для этого требовалось вглядываться сквозь туманный диск нашей галактики. Таким образом, несмотря на то, что наблюдения нашей собственной черной дыры проводились одновременно с M87, на создание картины ушло еще три года. Для этого потребовалось международное сотрудничество сотен астрономов, инженеров и ученых-компьютерщиков, а также разработка сложных компьютерных алгоритмов для составления изображения из необработанных данных.
На самом деле они записывают части плоского блина горячей плазмы, кружащейся вокруг черной дыры на высоких скоростях в так называемом аккреционном диске. Плазма состоит из заряженных частиц высокой энергии. Когда плазма закручивается вокруг черной дыры, ее ускоряющиеся частицы излучают радиоволны. Размытое оранжевое кольцо на снимках представляет собой сложную реконструкцию этих радиоволн, захваченных восемью телескопами, разбросанными по всей Земле и известными как Телескоп Горизонта Событий (EHT).Последнее изображение рассказывает об эпическом путешествии радиоволн из центра Млечного Пути, предоставляя беспрецедентные подробности о Стрельце А*. Это изображение также представляет собой «одно из наиболее важных визуальных доказательств общей теории относительности», нашей лучшей на данный момент теории гравитации, говорит Сера Маркофф, астрофизик из Амстердамского университета и член коллаборации EHT.
Изучение сверхмассивных черных дыр, таких как Стрелец A*, поможет ученым узнать больше о том, как галактики развиваются с течением времени и как они собираются в огромные скопления по всей Вселенной.
Стрелец A* в 1600 раз меньше черной дыры Мессье 87, сфотографированной в 2019 году, а также примерно в 2100 раз ближе к Земле. Это означает, что две черные дыры на небе кажутся примерно одинакового размера. Джеффри Бауэр, ученый проекта EHT из Института астрономии и астрофизики Academia Sinica на Тайване, говорит, что разрешение, необходимое для наблюдения Стрельца А* с Земли, такое же, как и для снимка апельсина на поверхности Земли. Луна.
Центр нашей галактики находится на расстоянии 26 000 световых лет от нас, поэтому радиоволны, собранные для создания этого изображения, были излучены примерно в то время, когда было построено одно из первых известных постоянных человеческих поселений. Путешествие радиоволн началось, когда они впервые были испущены частицами в аккреционном диске черной дыры. С длиной волны около 1 мм излучение двигалось к Земле относительно невозмущенным промежуточным галактическим газом и пылью. Если бы длина волны была намного короче, как у видимого света, радиоволны рассеивались бы пылью.
Наконец, после 26 000-летнего пути радиоволны были уловлены и записаны радиообсерваториями, разбросанными по всей нашей планете. Большое географическое разделение между обсерваториями было важно — оно позволило консорциуму исследователей обнаружить чрезвычайно тонкие различия в радиоволнах, собранных в каждом месте, с помощью процесса, называемого интерферометрией. Эти небольшие различия используются для определения незначительных различий в расстоянии, которое проходит каждая радиоволна от своего источника. Используя компьютерные алгоритмы, ученым удалось расшифровать различия в длине пути радиоволн, чтобы восстановить форму объекта, который их излучал.
Если бы два сайта собирали волны, которые были «синфазны», то есть пики волн выровнялись бы друг с другом, то две волны складывались бы вместе, чтобы создать яркое пятно на изображении. Если, с другой стороны, волны были не в фазе, то есть пик одной волны совпадал с впадиной другой, волны компенсировали бы друг друга, создавая темное пятно на изображении. Работая вместе, телескопы могут собирать более подробные данные, чем любой из них в одиночку.
Репортаж К. Маккормика / Knowable Magazine Исследователи поместили все это в изображение в искусственных цветах, где оранжевый цвет представляет радиоволны высокой интенсивности, а черный — низкой интенсивности. «Но каждый телескоп улавливает лишь малую часть радиосигнала», — объясняет Фульвио Мелиа, астрофизик из Аризонского университета, написавший о сверхмассивной черной дыре в нашей галактике. Поскольку мы пропускаем большую часть сигнала, «вместо кристально чистой фотографии вы видите что-то немного туманное… немного размытое».
Изображение помогает больше узнать о горизонте событий черной дыры — ближайшей точке, к которой что-либо может приблизиться к черной дыре, не будучи втянутым в нее. За пределы горизонта событий не может выйти даже свет.
По изображению ученые смогли лучше оценить размер горизонта событий и сделать вывод, что аккреционный диск наклонен более чем на 40 градусов по отношению к диску Млечного Пути, так что мы видим круглую грань плоского аккреционный диск, а не тонкая полоска его края.
Но даже если бы аккреционный диск черной дыры был ориентирован ребром относительно Земли, гравитация вокруг черной дыры искажает пространство вокруг нее настолько сильно, что свет, испускаемый с обратной стороны черной дыры, преломлялся бы, чтобы прийти к нам , образуя кольцеобразное изображение независимо от его ориентации. Итак, как ученые узнают его ориентацию? Потому что кольцо в основном круглое; если бы мы смотрели на аккреционный диск с ребра, то кольцо было бы более сжатым и продолговатым.
Маркофф считает, что эта новая возможность заглянуть в сердце нашей галактики поможет заполнить пробелы в нашем понимании эволюции галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. Плотный, массивный объект, такой как черная дыра в центре галактики, влияет на движение звезд и пыли вокруг него, и это влияет на то, как галактика меняется с течением времени. Свойства черной дыры, например направление ее вращения, зависят от истории ее столкновений — возможно, со звездами или другими черными дырами. «Многие люди… смотрят на небо и думают, что оно статичное, верно? Но это не так. Это большая экосистема вещей, которая развивается», — говорит Маркофф.
Пока что тот факт, что изображение так точно соответствует ожиданиям ученых, делает его важным подтверждением современных теорий физики. «Это было предсказание, которое мы делали в течение двух десятилетий, — говорит Бауэр, — что мы увидим кольцо такого масштаба. Но, знаете ли, увидеть значит поверить».
Журнал Knowable Magazine — это независимое журналистское издание Annual Reviews.
Рекомендуемые видео
Это первое изображение черной дыры в сердце Млечного Пути: NPR
Это первое изображение черной дыры в центре Млечного Пути «Наконец-то мы впервые взглянули на нашу черную дыру в Млечном Пути, Стрелец A*», — международная группа астрофизиков и исследователей из Event Об этом сообщила команда Horizon Telescope.
Космос
«Это рассвет новой эры физики черных дыр», — заявила команда Event Horizon Telescope, опубликовав первое в истории изображение сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Сотрудничество с ЭХТ скрыть заголовок
переключить заголовок
Сотрудничество с ЭХТ
«Это рассвет новой эры физики черных дыр», — заявила команда телескопа «Горизонт событий», опубликовав первое в истории изображение сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.
Сотрудничество с ЭХТ
В течение многих лет сверхмассивная черная дыра в темном центре галактики Млечный Путь обсуждалась и изучалась — и, наконец, она была запечатлена на изображении.
«Наконец-то мы впервые взглянули на нашу черную дыру Млечного Пути, Стрелец A*», — объявила в четверг международная группа астрофизиков и исследователей из команды Event Horizon Telescope.
«Это рассвет новой эры в физике черных дыр», — добавил он.
Черную дыру часто называют Sgr A*, произносится как sadge ay star . По данным Массачусетского технологического института, его масса примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца, а расстояние до Земли составляет около 27 000 световых лет.
Черные дыры долгое время вызывали всеобщее восхищение, но они также представляют собой печально известные проблемы для исследователей, главным образом потому, что их гравитационные поля настолько сильны, что они либо искривляют свет, либо не позволяют ему полностью уйти.
Но ученые смогли обнаружить и изучить их на основе мощного воздействия, которое они оказывают на свое окружение.
В случае Sgr A* ученые ранее наблюдали звезды, вращающиеся вокруг центра Млечного Пути. Теперь у них есть прямой взгляд на то, что Ферьял Озель, профессор астрономии и физики Аризонского университета, назвал самим «нежным гигантом».
Ютуб
Оценивая размер черной дыры с точки зрения землянина, команда сказала, что увидеть ее с поверхности нашей планеты было бы все равно, что пытаться обнаружить пончик на Луне.
«Что делало это особенно сложным, так это динамическая среда Sgr A*, источник, который бормотал, а затем булькал, когда мы смотрели на него, — сказал Озель, — и трудности, связанные не только с нашей собственной атмосферой, но и с газовые облака в диске нашей галактики по направлению к центру.
Потребовалось несколько лет, чтобы уточнить наше изображение и подтвердить то, что у нас было, но мы победили».
Более 300 исследователей объединили усилия для получения изображения, собирая информацию из радиообсерваторий по всему миру. Для получения изображения ученые использовали наблюдения за апрель 2017 года, когда все восемь обсерваторий были направлены на черную дыру.
«Хотя мы не можем видеть саму черную дыру, потому что она совершенно темная, светящийся газ вокруг нее дает характерный признак: темную центральную область (называемую «тенью»), окруженную яркой кольцеобразной структурой», — EHT. — говорится в сообщении команды.
Исследователи объявили эту новость в четверг утром в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне, округ Колумбия, но она одновременно была обнародована по всему миру на серии пресс-конференций, проведенных в Мехико, Шанхае, Токио и других городах.
«Мы были ошеломлены тем, насколько хорошо размер кольца согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна», — сказал ученый проекта EHT Джеффри Бауэр из Института астрономии и астрофизики Академии Синика в Тайбэе.