*2572. Черные дыры

[Самир Д. Матур]

https://postnauka.ru/faq/49337
О парадоксе Хокинга, излучении черными дырами информации и теории «пушистого клубка»
30 июня 2015

Художественное представление черной дыры звездной массы IGR J17091 (NASA/CXC/M.Weiss)

Опубликованное 14 июня 2015 года в Cornell University Press исследование «Модель без файервола» предлагает новый взгляд на парадокс Хокинга. Мы попросили автора исследования, профессора Самира Д. Матура, прокомментировать эту работу для англоязычного издания ИД «ПостНаука» Serious Science.

Что произошло

В недавней статье я представил модель, которая могла бы разрешить парадокс Хокинга о потере информации в черных дырах, а также сохранить классическое интуитивное понимание, что на горизонте нет файервола.

Что такое загадка Хокинга и как она решается?

Черные дыры образуются, когда материя сжимается под собственной гравитацией. После достижения определенной плотности процесс сжатия идет по нарастающей — чем плотнее материя, тем больше гравитация — до тех пор, пока вся масса звезды не будет находиться в одной точке с бесконечной плотностью. Черная дыра имеет горизонт — границу области, за которую не может вырваться даже свет. Для черной дыры с массой, равной массе Солнца, радиус горизонта составляет около 3 км.

Вопрос заключается в следующем: если что-то падает в черную дыру, то как информация об объекте в принципе может когда-либо из нее выйти? В теории струн было установлено, что черные дыры ведут себя как «пушистые клубки» — объекты, обладающие поверхностью, как планеты, вместо вакуумной области, которую в классической теории мы ожидаем обнаружить вокруг горизонта. С этой поверхности исходит излучение, и информация также выходит наружу.

Тогда может возникнуть вопрос: что произойдет, если объект упадет на эту поверхность? Возможно, конечно, что он разрушится, точно так же, как любой объект при падении на поверхность Земли. Но есть и другая возможность: поверхность «пушистого клубка» завибрирует под воздействием падающего объекта, и эти колебания будут примерно имитировать свободное падение через пустое пространство. Такая имитация возможна потому, что в квантовой теории каждая система полностью описывается набором характеризующих частот. Если две системы имеют примерно одинаковые частоты, то они будут имитировать друг друга.

В моей работе я привожу модель, где черная дыра испускает информацию посредством радиационного излучения и при этом обеспечивает опыт «приблизительно свободного падения» сквозь ее горизонт. Мы не знаем, ведут ли себя настоящие черные дыры таким образом, но модель показывает, что недавно предложенный аргумент о файерволе имеет лазейку. Сторонники аргумента о файерволе утверждали, что если бы существовал какой-либо механизм, чтобы черная дыра излучала информацию о себе с радиацией, то поверхность, необходимая для создания этой радиации, неизбежно «сжигала» бы падающие на нее объекты. Лазейка была в том, что группа сторонников идеи файервола предположила точную имитацию падения; чего они не учли, так это того, что возможно приблизительное сходство частот, дающее имитацию свободного падения с очень хорошим приближением.

Предыстория

В 1975 году Хокинг показал, что вакуум вокруг горизонта нестабилен и излучает частицы в бесконечность. Но, когда черная дыра испаряется таким образом, у нас возникает затруднение: вся информация разрушающейся звезды идет в точку в центре, в то время как излучение выходит из-за горизонта. Таким образом, излучение не имеет никакой информации о звезде, информация потеряна. В обычной квантовой теории информация никогда не теряется, поэтому Хокинг утверждал, что черные дыры нарушают квантовую механику. Это называется информационным парадоксом черных дыр.

Некоторые люди надеялись, что квантовые гравитационные эффекты могут каким-либо образом заключать в себе информацию, что-то, что могло быть упущено в изначальном расчете Хокинга. Но в 2009 году я использовал результат квантовой теории информации, чтобы показать, что такое тонкое кодирование невозможно.

Тогда казалось бы естественным, что черная дыра должна иметь поверхность, как звезды или планеты; в этом случае излучение от этой поверхности будет нести информацию об этой поверхности. Но проблема в том, что черная дыра засасывает все внутрь и таким образом, как правило, стремится сделать область горизонта областью вакуума. Такое поведение находит отражение в вере в такой тезис: черные дыры не имеют волос, то есть они являются «лысыми», без информации на поверхности.

Идея «пушистых клубков»

В теории струн было установлено, что черные дыры имеют поверхность, эта структура называется «пушистым клубком». Эта поверхность не «засасывается в отверстие», потому что с дополнительными измерениями, присутствующими в теории струн, в пространстве-времени возникает новая топология. В новой топологии пространство-время заканчивается в непосредственной близости от места, где был бы образован горизонт, поэтому не существует никакого «внутри», куда могла бы упасть поверхность. Сингулярность также исчезает, устраняя серьезную проблему физики дыры. «Клубок» излучает со своей поверхности, как звезда, так что проблема информации решена. Представление о черной дыре как об объекте без горизонта постепенно укреплялось в последние несколько лет благодаря тяжелой работе группы во главе с Джозефом Бена и Ником Варнером. Многие характеристики «пушистых клубков» были разъяснены Стивом Авери, Боруном Чоудхури, Стефано Джусто, Олегом Луниным, Рудольфо Руссо, Масаки Шигемори и Дэвидом Тертоном.

Проблема падения

Теперь можно задать еще один вопрос: что происходит с объектом, который падает на поверхность «клубка»? Это тема нынешних дискуссий. Можно подумать, что объект разрушается, как если бы он упал на поверхность Земли. И в самом деле, некоторые люди, работающие с «клубками», говорят, что так и обстояло бы дело. Но есть вторая возможность, называемая дополнительностью, — идея, восходящая в своих ранних формах к Хофту и Сасскинду. В квантовой механике каждая система характеризуется набором частот. Таким образом, в классической картине черной дыры есть набор частот, который описывает падающие объекты. В случае с клубком не существует места, куда падать, но объект, ударяясь о поверхность, возбуждает колебания этой поверхности с другим характерным набором частот.

Что, если эти два набора частот одинаковы? Тогда информация об объекте, падающем на поверхность «клубка», может быть голографически закодирована на поверхности «клубка», и изменения этой поверхности будут воспроизводить всю динамику падения внутрь черной дыры. Таким образом, объект не будет «ощущаться» уничтоженным. Версия этого есть в идее Малдасены о двойственности калибровочной гравитации: объекты, падающие на трехмерные листы (браны), получают энергию, преобразованную в колебания этих листов, но в «двойном» описании кажется, что они продолжали падать через пустое пространство.

В 2012 году группа авторов утверждала, что картина взаимодополняемости Сасскинда нежизнеспособна. В сущности, аргумент указывал, что если динамика поверхности черной дыры точно воспроизводит физику вакуумного горизонта, то опять возникал бы парадокс Хокинга о потере информации. Если невозможна взаимодополняемость, то, как утверждают авторы, поверхность должна будет уничтожать все, что на нее падает, то есть вести себя как файервол. Но в случае с «клубками» было уже ясно, что понятие дополнительности потребует небольшой модификации. Поверхность одного «клубка» немного отличается от поверхности любого другого, если эти различия должны хранить данные о дыре. Таким образом, голограмма на поверхности «клубка» будет иметь небольшие дефекты, позволяя лишь приблизительное кодирование информации о падающем объекте.

Как я показал в работе с Дэвидом Тертоном, частоты, описывающие классическую картину черной дыры, и фактический «клубок» могут быть примерно равны, но не точно равны. Приближение становится тем лучше, чем больше размеры дыры. В моей недавней статье я построил модель, которая демонстрирует эту приблизительную голографию. Эта модель, таким образом, показывает лазейку в аргументе о файерволе: сторонники файервола утверждали, что, поскольку точная голография была невозможна, падающий объект должен чувствовать, что он сгорает. Но, так как возможна приблизительная голография, нельзя прийти к этому выводу.

Перспективы

Парадигма «пушистого клубка» предоставляет возможность разрешить различные парадоксы, возникающие в квантовой физике черных дыр. Было бы очень интересно проверить все аспекты этой парадигмы и увидеть, изменяет ли она наше понимание других особенностей гравитации, таких как сингулярность во время Большого взрыва. В черной дыре классическая физика предсказывает, что большое количество материи будет сжато в точку с бесконечной плотностью. Но теория струн говорит нам, что с квантово-механической точки зрения это не так, из-за эффектов теории струн физика полностью меняется. Когда мы прослеживаем историю нашей Вселенной вплоть до Большого взрыва, классическая теория описывает его как сжатие огромного количества материи в одну точку. Было бы очень интересно узнать, изменит ли теория струн это объяснение и даст ли ясное понимание того, каким было начало нашей Вселенной.
Автор
профессор физики Университета штата Огайо

[Серге́й Бори́сович Попо́в]

https://postnauka.ru/faq/7342
7 фактов об исследованиях, необходимых для доказательства существования черных дыр
6 декабря 2012

Darwin Bell

Черные дыры как идея были придуманы довольно давно. Сделали это Лаплас и Мичелл несколько веков назад. Они догадались, что можно рассмотреть обычные ньютоновские законы (других тогда не было) и сделать очень большой вторую космическую скорость, то есть скорость, которую надо единомоментно сообщить какому-нибудь предмету, чтобы он навсегда улетел с какого-то тела, например, с Земли. Мы берем известную формулу из школьного учебника физики, – вторая космическая скорость равна квадратному корню из удвоенного произведения постоянной тяготения на массу тела, деленного на его радиус, - и видим, что мы можем или, сохраняя радиус тела, увеличивать массу, и тогда будет расти скорость, или, наоборот, сохраняя массу, сжимать это тело, с которого все улетает, и тоже будет увеличиваться скорость. В конце концов, мы дойдем до скорости света. То есть согласно этой формуле можно сделать такой объект - или такой тяжелый, или такой компактный, маленький, – что скорость убегания от него будет равна скорости света.

1

Черные дыры в современном понимании возникли уже в рамках Общей теории относительности. Там картина немного иная, и нам в дальнейшем понадобится геометрическая теория гравитации. В этой теории массивные тела искажают пространство–время вокруг себя. Обычно это иллюстрируют самым простым способом: представьте себе резиновую плоскость. Вы кладете разные предметы - чем тяжелее предмет, тем больше прогнется плоскость, и, соответственно, возникнет ямка, все объекты будут туда притягиваться. Вы просто кидаете какие-нибудь другие шарики, и они в эту ямку скатываются. Хороший образ. Действительно, так модель и выглядит, и мы думаем, что все примерно так и работает. Можно такой тяжелый предмет положить или такой маленький, что он в том месте, где лежит, настолько сильно продавит плоскость, что возникнет область пространства, которая как бы «окуклится», и из нее наружу ничего выходить не будет. Вот это и есть, в первом приближении, черная дыра в Общей теории относительности.

Черная дыра – это область пространства. У нее нет поверхности, по ней нельзя постучать-походить, есть только горизонт, граница, отделяющая недра черной дыры от остального мира. А все, что попало внутрь, уже внутри останется навсегда (хотя ниже мы поговорим об испарении черных дыр). Как дыра устроена внутри - это большой сложный вопрос (проблема в том, что у нас нет по этому поводу никаких наблюдательных данных – ведь сигналы наружу не выходят!). Есть много интересных работ на эту тему. Например, можно сделать предположение о замкнутых орбитах под горизонтом. В таком сценарии некоторые частицы не упадут в самый центр черной дыры, а будут вращаться, всегда оставаясь под горизонтом. Но если это исключить, т.к. такой вариант развития событий является экзотикой, все действительно должно сваливаться в самый центр черной дыры, и мы не знаем, что там происходит, потому что формально многие параметры достигают бесконечных значений, что означает, что наши физические законы там перестают работать.

Есть проблема: существуют ли вообще черные дыры? Потому что, во-первых, общая теория относительности, будучи хорошей стандартной теорией гравитации, заведомо неполна, все это хорошо понимают. Она хороша в определенной области применимости, и там у нее серьезных конкурентов нет, но развивать теорию гравитации необходимо, и, видимо, нам нужна теория, куда эта общая теория относительности войдет как часть. Будут ли существовать черные дыры в такой расширенной теории – вопрос.

2

Черные дыры очень трудно открыть. Она дыра и она черная – собственно, что там можно увидеть? Единственный, сразу приходящий в голову способ - это излучение Хокинга. Черные дыры должны понемногу испаряться. Но это процесс очень медленный. Обычно процесс испарения черных дыр иллюстрируют таким образом. В вакууме постоянно рождаются пары частиц. Это ничему не противоречит. Вы как бы на короткое время берете взаймы энергию, рождаете пару частиц, а потом они аннигилируют. Ну, представьте такую полукриминальную ситуацию: вы работаете в банке, и вы периодически берете деньги из кассы, а на следующий день возвращаете. Ничего не произошло, никто не знает – вы взяли на короткое время и вернули. А теперь представьте, что у вас есть рядом черная дыра. То есть, например, случился какой-то кризис: вы взяли деньги, а вернуть уже ничего не можете, у вас остался долг, и, значит, банк немножко испарился, - для внешнего наблюдателя это выглядит как испарение банка. Если есть черная дыра, рядом возникла пара частиц: одна упала в дыру, а другая улетела. Глядя на это с какого-то расстояния, мы просто увидим, что родилась частица и улетела. Единственный источник энергии для того, чтобы получить эту частицу, - это масса черной дыры. Таким образом, для внешнего наблюдателя масса дыры начинает уменьшаться.

Казалось бы, надо искать такое испарение черных дыр – вот вам и доказательство их существования! Но здесь, если мы к реалиям вернемся, проблема такова: в природе есть два основных типа черных дыр. Первый, самый известный – это черные дыры звездных масс, возникающие на финальных стадиях эволюции самых массивных звезд. Живет большая массивная звезда, она пережигает водород в гелий, гелий в углерод, азот, кислород, наконец, доходит до элементов группы железа. Дальше горение идти не может, и ядро схлопывается. Если это схлопывание ничем не остановить, образуется черная дыра. Типичная масса такого объекта раз в десять больше солнечной. Это массивная черная дыра, она испаряется очень медленно, вокруг постоянно летает какой-нибудь мусор, реликтовое излучение, и это все попадает в черную дыру, поэтому ее масса все-таки в среднем растет, испарение несущественно.

3

Второй тип черных дыр – это сверхмассивные объекты в центрах галактик. Есть два основных сценария их образования: или большие облака газа сразу схлопывались в дыры, а потом они постепенно росли, поглощая вещество из окружающего пространства; или самые первые звезды в конце своей жизни давали довольно большие, по сто-двести масс Солнца, черные дыры, и они становились зародышами для будущих сверхмассивных объектов. Мы не знаем пока, какой из сценариев верен, но существенно, что эти дыры испаряются крайне медленно, т.е. увидеть это фактически невозможно, т.к. снова масса растет из-за поглощения вещества.

Поэтому непосредственно увидеть черную дыру тяжело, и есть такой простой факт: нет никакой Нобелевской премии, выданной за открытие черных дыр. Значит, нет окончательного подтверждения. Практически все астрофизики готовы поспорить тысяча к одному, что они существуют, но полной уверенности нет. Мы наблюдаем объекты, называемые кандидатами в черные дыры. Можно изучать поведение вещества вокруг них – это пока единственный способ что-то узнать о самих дырах. Например, самая известная, самая цитируемая научная статья, когда-либо написанная в нашей стране, – это работа Николая Шакуры и Рашида Сюняева, опубликованная в 1973 году. Она посвящена течению вещества вокруг черных дыр. Это всем нужно, очень востребовано, и поэтому статья долгое время была самой цитируемой астрофизической работой в мире. Благодаря таким исследованиям мы довольно много знаем о свойствах кандидатов в черные дыры. Но все равно полной уверенности в существовании дыр нет, и, может быть, через буквально несколько лет ключевым моментом в доказательстве их существования станет обнаружение гравитационных волн.

4

Мы помним, что у нас есть геометрическая теория гравитации. И мы иллюстрируем ее резиновой плоскостью. Теперь представьте, что вы пальцем периодически тыкаете в эту плоскость. Вы тыкаете, и по ней бежит рябь. В некотором смысле это и есть гравитационные волны. В принципе, даже если вы станете просто размахивать руками, вы будете испускать гравитационные волны, потому что руки массивны, они как-то искажают пространство вокруг себя, вы ими двигаете, и по пространству бежит рябь. Но это очень слабый эффект. Сильный эффект достигается, если мы имеем быстро двигающиеся массивные и достаточно компактные объекты, потому что нужен не просто тяжелый объект, нужно в данном месте очень сильно исказить пространство-время и быстро менять гравитационное поле. Именно черные дыры - идеальный объект для таких целей.

Чтобы возникало существенное гравитационное излучение, нужна определенная асимметрия в движении тела, или само тело, если оно вращается, должно быть несимметричным. Например, вращающийся вокруг короткой оси огурец подойдет. Но черные дыры – это довольно симметричны объекты. Вращающаяся вокруг своей оси одиночная черная дыра ничего излучать не будет, нужна какая-то асимметрия. К счастью, в природе есть подходящие процессы с участием черных дыр. Они происходят в двойных системах.

Звезды чаще всего рождаются не поодиночке, а парами. Например, пусть возникла пара из двух массивных звезд. Затем обе поочередно взорвались как сверхновые и дали две черных дыры, и они крутятся друг вокруг друга. Представим, как два шарика катаются по нашей резиновой плоскости - от них обязательно побежит рябь. В случае пары черных дыр это очень хороший процесс для испускания гравитационных волн, потому что у нас сразу есть большие массы, заключенные в компактные области и двигающиеся с огромными скоростями.

5

Вспомним, что если мы берем любой предмет и кидаем его в черную дыру, он пересекает горизонт со скоростью света. Значит, у него в этот момент колоссальная скорость и энергия. Теперь представим такой экстремальный случай: мы берем одну черную дыру и кидаем в другую черную дыру. Вроде бы должна выделиться куча энергии, и она выделяется! Но только в виде чего? Вся эта огромная энергия выделяется в виде гравитационных волн. Если в системе сливаются две черные дыры, то возникает очень мощный гравитационно-волновой сигнал. Вот его как раз хотят поймать, и, наверное, в ближайшее время это самый реалистичный, самый хороший способ открыть черные дыры.

6

Одним подобным открытием ученые убьют двух зайцев сразу. Во-первых, будет напрямую доказано существование гравитационных волн. Ведь пока у нас есть пусть и очень хорошее, но лишь косвенное подтверждение: астрономы наблюдают тесную двойную систему, но не из двух черных дыр, а из двух нейтронных звезд. Одна из них излучает, как пульсар, т.к. мы как бы имеем в этой двойной системе очень точные часы, посылающие нам регулярные сигналы. Изучая вариации времени прихода этих сигналов, мы понимаем, что эти нейтронные звезды в этой двойной системе сближаются. И единственный разумный механизм, который это все объясняет, - гравитационные волны. Они уносят энергию и угловой момент из системы, что и приводит к уменьшению размера орбиты. За это открытие дали Нобелевскую премию, поскольку это отличная проверка предсказаний Общей теории относительности и лучшее на сегодняшний день косвенное подтверждение существования гравитационных волн.

Но если ученые все-таки зафиксируют сигнал от слияния черных дыр, то, во-первых, мы напрямую увидим сигнал, докажем, что есть гравитационные волны, что геометрическая теория гравитации верна. Это будет очень важно для фундаментальной физики. И, во-вторых, одновременно мы откроем черные дыры, потому что это будет действительно взаимодействие двух горизонтов. Сигнал от процесса слияния позволит сказать, что у взаимодействующих объектов нет твердых поверхностей. Две дыры сольются, образуют единую дыру, ее горизонт будет дрожать какое-то время, от этого также можно зарегистрировать гравитационно-волновой сигнал. Поэтому задачи, связанные с регистрацией гравитационных волн, являются очень важными и перспективными.

7

Как ученые собираются это осуществить? Когда гравитационная волна где-то проходит, она сжимает-растягивает все на своем пути. Эффект слабый, но измеримый. Вначале, еще в 70-е гг. 20 века, ученые пытались ставить металлические болванки, увешанные датчиками, и смотреть, как они будут сжиматься-растягиваться. Это были не очень чувствительные детекторы, поэтому сейчас разработаны и созданы другие. Представьте, на расстоянии нескольких километров друг от друга в тоннеле, где создан вакуум, висят тяжелые зеркала. Между зеркалами бегает лазерный луч. Когда проходит гравитационная волна, зеркала немного смещаются друг относительно друга, и это можно заметить. Заставляя лазерные лучи взаимодействовать друг с другом, мы получаем интерференционную картинку, которая изменяется, если сдвигаются зеркала. Есть надежда, что спустя сто лет после создания Общей теории относительности, примерно в 2015-2016-м году, слияния черных дыр будут обнаружены. Тогда будет доказано существование гравитационных волн, и мы одновременно получим надежное подтверждение существования черных дыр.

Автор
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ

[Максим Руссо]

https://polit.ru/article/2019/04/11/ps_black_hole/
11 апреля 2019, 07:00

Черная дыра в галактике Мессье 87. Это первое в истории фото черной дырыЧерная дыра в галактике Мессье 87. Это первое в истории фото черной дыры
Event Horizon Telescope Collaboration/National Science Foundation
Представьте, что вам известен человек, которого вы никогда не видели воочию, но много знаете о его поступках, лично наблюдали результаты его действий, слышали о нем от знакомых и настолько хорошо узнали его, что можете даже предсказать, что он сделает в той или иной ситуации. Такое положение сохраняется много лет, но вдруг наступает день, когда вам показывают фотографию этого, с одной стороны, никогда вами не виденного, а с другой – уже хорошо знакомого человека. Именно это произошло 10 апреля, когда астрономы продемонстрировали миру первое в истории прямое изображение черной дыры и ее тени.

Каким бы странным это ни показалось, формально черные дыры до сих пор оставались неоткрытыми, в ранге гипотезы. Я еще помню, как астрономы говорили, что в центре той или иной галактики находится «возможная черная дыра» или «объект – кандидат в черные дыры». Но с годами накапливалась всё больше наблюдений, которые могли быть объяснены только наличием черных дыр. Уверенность ученых росла, и постепенно оговорки были оставлены.

Хотя далеко не все детали физических свойств черных дыр и их эволюции уже объяснены астрофизиками, о черных дырах известно уже многое. Мы знаем о двух типах черных дыр.

Первые находятся в тесных двойных системах и обнаруживаются по потоку вещества, падающего в черную дыру со второго компонента системы – звезды. Вещество в данном случае образует так называемый аккреционный диск и разогревается до высоких температур, так что астрономы регистрируют испускаемое этим диском излучение. Такие черные дыры невелики, их масса обычно составляет несколько масс Солнца. Совсем недавно появился еще один метод обнаружения черных дыр звездной массы – регистрация гравитационных волн, возникающих, когда две черные дыры сливаются в одну.

Другие черные дыры значительно крупнее, в миллионы и даже в десятки миллиардов масс Солнца. Такие черные дыры находятся в центрах галактик (точнее, в центрах галактик, имеющих балдж – «вздутие» в середине галактического диска). Сверхмассивные черные дыры тоже втягивают в себя окружающее вещество, формируя аккреционный диск. Благодаря таким дискам центры галактик со сверхмассивными черными дырами имеют огромную светимость, иногда она в десятки или даже сотни раз может превосходить светимость всех звезд такой галактики, как Млечный путь. Именно по этому излучению их и обнаружили в конце 1950-х – начале 1960-х годов. Тогда ученые еще не успели понять, с чем имеют дело, и назвали открытые объекты квазарами (квазизвездными радиоисточниками).

В 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт сумел объяснить спектры квазаров, обнаружив в них красное смещение, что позволило определить расстояния до них. Оказалось, что квазары – не только самые яркие, но и самые далекие известные астрономам объекты, находящиеся в миллиардах световых лет от Солнечной системы. Объяснить огромную энергию квазаров смогли Яков Зельдович и Эдвин Солпитер, предположившие, что ее источниками служат аккреционные диски сверхмассивных черных дыр.

Так черную дыру в центре гигантской эллиптической галактики М87 изобразил художник (ESO/M. Kornmesser)

Следить за сверхмассивными черными дырами можно, наблюдая за поведением объектов (звезд, облаков газа) в их окрестностях. Такие наблюдения позволяют с довольно высокой точностью определить массу черной дыры. Сейчас известно уже довольно много таких черных дыр в центрах разных галактик. Более того, астрономы предполагают, что сверхмассивная черная дыра имеется в центре любой галактики с достаточно крупным балджем. Есть черная дыра и в центре Млечного пути, ее масса, составляющая около четырех миллионов масс Солнца, вычислена по движению окружающих звезд.

Еще одна хорошо знакомая астрономам сверхмассивная черная дыра находится в центре эллиптической галактики M87 в созвездии Девы. Она значительно крупнее «нашей» черной дыры (около 6,5 миллиардов масс Солнца, по этому показателю она уступает лишь черным дырам в галактиках NGC 3842 и NGC 4889 с массами в 9,7 и 27 миллиардов масс Солнца), но находится на куда большем расстоянии – примерно 55 миллионов световых лет. Диск из ионизированного газа вокруг этой черной дыры вращается со скоростью около 1000 километров в секунду, а его диаметр равен примерно 0,39 световых лет.

Именно черная дыра галактики M87 была выбрана для получения первого в истории науки изображения черной дыры. Хотя девиз «Pics or It Didn'tHappen» в науке не действует, задача увидеть черную дыру земными телескопами показалась достаточно интересной, чтобы приложить значительные усилия. Конечно, не может быть и речи о том, чтобы объект, пусть и колоссально яркий, но находящийся в другой галактике за десятки миллиардов световых лет от нас, можно было увидеть в оптический телескоп. Черную дыру собирались рассматривать в радиодиапазоне.

Но и для одного радиотелескопа такая задача была слишком сложна. Дело в том, что угловая разрешающая способность радиотелескопа определяется отношением длины волны к диаметру антенны. Чем меньше это отношение, тем более близкие друг к другу объекты способен различать телескоп. Соответственно, увеличивая диаметр параболической антенны, можно улучшать эту характеристику телескопа. Но даже у телескопов с самыми большими антеннами она остается небольшой. Их угловое разрешение редко превышает 1 угловую минуту, что примерно соответствует зоркости невооруженного глаза. И излучение от двух или более радиоисточников, расположенных близко друг от друга, радиотелескоп воспринимает как один источник.

Радиоастрономы уже давно решили эту проблему. Они создали радиоинтерферометры – системы из нескольких радиотелескопов, связанных между собой и работающих синхронизировано. В таком случае угловая разрешающая способность определяется не диаметром зеркала одного телескопа, а расстоянием между телескопами (так называемой базой радиоинтерферометра).

С появлением радиоинтерферометров радиоастрономия резко обогнала по разрешающей способности оптическую астрономию. Появились и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ, Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Они объединяют радиотелескопы, разнесенные на тысячи километров и находящиеся в разных странах, а часто и на разных континентах. Излучение, принятое на каждом из них, записывается и обрабатывается в едином центре.

Именно такой радиоинтерферометр был создан для получения изображения черной дыры в галактике M87. Он получил название «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT) и объединил восемь наземных радиотелескопов: ALMA (Чили, Европейская Южная обсерватория), APEX (Чили, Европейская Южная обсерватория), 30-метровый телескоп IRAM (Сьерра-Невада, Испания), телескоп Джеймса Клерка Максвелла (Мауна-Кеа, Гавайи), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (Сьерра-Негра, Мексика), Субмиллиметровая решетка (Мауна-Кеа, Гавайи), Субмиллиметровый телескоп (Аризона, США) и телескоп на Южном полюсе (станция Амундсен – Скотт, Антарктида). В работе этой научной коллаборации участвовали более 200 исследователей.

Карта расположения телескопов, участвовавших в наблюдениях M87 в рамках проекта EHT в 2017 году. В 2018 году в состав EHT вошел радиотелескоп в Гренландии. Еще два телескопа, находящиеся во Франции и в Аризоне, присоединятся к проекту в 2020 году.

Интерферометр работал на частоте 1,3 мм и достиг углового разрешения 20 миллисекунд. Чтобы наглядно продемонстрировать эту величину, ученые говорят, что в оптическом диапазоне такое разрешение позволило бы читать нью-йоркскую газету из парижского кафе.

При работе восьми радиотелескопов в режиме гигантского интерферометра необходимо с большой точностью синхронизировать данные, полученные каждым из них. Для этого были использованы атомные часы (водородный мазер). В ходе наблюдательной кампании 2017 года каждый радиотелескоп в день получал 350 терабайт данных. Они записывались на специальные жесткие диски и отправлялись в Институт радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне и Обсерваторию Хэйстек (Массачусетский технологический институт), где находятся корреляторы – специальные суперкомпьютеры, которые обрабатывали полученные сигналы и в конечном итоге преобразовывали их в изображение.

Полученный результат был представлен в серии из шести статей, опубликованных в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters, а также на нескольких пресс-конференциях, проведенных в разных странах научными учреждениями, участвовавшими в проекте EHT.

Первое изображение черной дыры

«Когда черная дыра погружена в яркий диск светящегося газа, там должна образоваться темная область, напоминающая тень. Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось, – рассказал глава Научного совета EHT Хейно Фальке (Heino Falcke) из университета Рэдбуд в Нидерландах. – Эта "тень", образующаяся вследствие гравитационного искривления света и его захвата горизонтом событий, многое говорит о природе этих удивительных объектов. Именно она и позволила нам измерить гигантскую массу черной дыры в M87». Граница самой черной дыры – так называемый «горизонт событий» – примерно в 2,5 раза меньше тени. В черной дыре галактики M87 он имеет диаметр чуть около 40 миллиардов километров.

Из-за огромного расстояния, отделяющего наблюдателей от черной дыры, видимый размер тени черной дыры M87 составляет всего 42 угловых микросекунды (тут ученые вновь прибегли к наглядным сравнениям, сопоставив это с видимым размером кредитной карты, лежащей на поверхности Луны), а размер горизонта событий равен лишь семи микросекундам.