Эта статья перепечатана с сайта The Conversation по лицензии Creative Commons. Читайте оригинал статьи, опубликованный 12 мая 2022 года.
12 мая 2022 года астрономы из команды телескопа Event Horizon Telescope опубликовали изображение черной дыры под названием Sagittarius A*, которая находится в центре галактики Млечный Путь. Крис Импи, астроном из Университета Аризоны, объясняет, как команда получила это изображение и почему оно имеет такое большое значение.
1. Что такое Стрелец А*?
Стрелец А* находится в центре нашей галактики Млечный Путь, в направлении созвездия Стрельца. В течение десятилетий астрономы измеряли там взрывы радиоволн от чрезвычайно компактного источника.
В 1980-х годах две группы астрономов начали следить за движением звезд вблизи этого загадочного источника радиоволн. Они увидели звезды, вращающиеся вокруг темного объекта со скоростью, превышающей треть скорости света. Их движения позволили предположить, что в центре Млечного Пути находится черная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца. За это открытие Райнхард Генцель и Андреа Гез впоследствии получили Нобелевскую премию по физике.
Размер черной дыры определяется ее горизонтом событий — расстоянием от центра черной дыры, за пределы которого ничто не может вырваться. Ранее ученым удалось вычислить, что диаметр Стрельца А* составляет 16 миллионов миль (26 миллионов километров).
Черная дыра Млечного Пути огромна по сравнению с черными дырами, остающимися после гибели массивных звезд. Но астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры есть в центре почти всех галактик. По сравнению с большинством из них Стрелец А* — маленькая и ничем не примечательная.
2. Что показывает новое изображение?
Сами черные дыры абсолютно темны, поскольку ничто, даже свет, не может избежать их гравитации. Но черные дыры окружены облаками газа, и астрономы могут измерить этот газ, чтобы получить изображение черных дыр внутри. Центральная темная область на снимке — это тень, отбрасываемая черной дырой на газ. Яркое кольцо — это светящийся газ. Яркие пятна в кольце показывают области более горячего газа, который однажды может попасть в черную дыру.
Часть газа, видимого на снимке, находится за Стрельцом А*. Свет от этого газа отклоняется мощной гравитацией черной дыры в сторону Земли. Этот эффект, называемый гравитационным линзированием, является основным предсказанием общей теории относительности.
3. Что повлияло на создание этого изображения?
Сверхмассивные черные дыры чрезвычайно трудно измерить. Они находятся далеко и окутаны газом и пылью, которые засоряют центры галактик. Кроме того, они относительно малы по сравнению с просторами космоса. С того места, где находится Стрелец А*, на расстоянии 26 000 световых лет от центра Млечного Пути, до Земли доходит лишь 1 из 10 миллиардов фотонов видимого света — большинство поглощается газом на пути. Радиоволны проходят через газ гораздо легче, чем видимый свет, поэтому астрономы измерили радиоизлучение из газа, окружающего черную дыру. Оранжевые цвета на снимке — это отображение этих радиоволн.
Команда использовала восемь радиотелескопов, расположенных по всему миру, для сбора данных о черной дыре в течение пяти ночей в 2017 году. Каждая ночь генерировала такое количество данных, что команда не могла отправить их через интернет — им пришлось отправлять физические жесткие диски туда, где они обрабатывали данные.
Поскольку черные дыры так трудно увидеть, в данных, которые собирают телескопы, много неопределенности. Чтобы превратить все это в точное изображение, команда использовала суперкомпьютеры для создания миллионов различных изображений, каждое из которых представляло собой математически обоснованную версию черной дыры, основанную на собранных данных и законах физики. Затем они соединили все эти изображения вместе, чтобы получить окончательное, красивое и точное изображение. Время обработки данных было эквивалентно работе 2000 ноутбуков на полной скорости в течение года.
4. Почему новое изображение так важно?
В 2019 году команда телескопа Event Horizon выпустила первое изображение черной дыры — в центре галактики M87. Черная дыра в центре этой галактики, получившая название M87*, в 2 000 раз больше Стрельца A* и в 7 миллиардов раз превышает массу Солнца. Но поскольку Стрелец А* находится в 2 000 раз ближе к Земле, чем М87*, телескоп Event Horizon Telescope смог наблюдать обе черные дыры с одинаковым разрешением, что дает астрономам возможность узнать о Вселенной, сравнив их между собой.
Сходство этих двух изображений поразительно, потому что маленькие звезды и маленькие галактики выглядят и ведут себя совсем иначе, чем большие звезды или галактики. Черные дыры — единственные объекты в мире, которые подчиняются только одному закону природы — гравитации. И гравитации нет дела до масштабов.
Последние несколько десятилетий астрономы считали, что в центре почти каждой галактики находятся массивные черные дыры. Хотя M87* — необычайно огромная черная дыра, Стрелец A*, скорее всего, очень похож на многие из сотен миллиардов черных дыр в центре других галактик во Вселенной.
5. На какие научные вопросы это может ответить?
Из собранных командой данных можно сделать еще много научных выводов.
Один из интересных путей исследования связан с тем, что газ, окружающий Стрелец А*, движется со скоростью, близкой к скорости света. Стрелец А* относительно мал, и материя поступает в него очень медленно — если бы он был размером с человека, то потреблял бы массу одного рисового зерна каждые миллион лет. Но, сделав множество снимков, можно будет наблюдать за потоком материи вокруг и в самой черной дыре в режиме реального времени. Это позволит астрофизикам изучить, как черные дыры поглощают материю и растут.
Фотография стоит тысячи слов, и это новое изображение уже породило 10 научных работ. Я ожидаю, что их будет гораздо больше.
Автор Крис Импи, заслуженный профессор астрономии Аризонского университета.
