Астрономы собираются впервые увидеть своими глазами горизонт событий черной дыры

С момента их самого первого упоминания Джоном Мичеллом в письме, направленном в Лондонское королевское общество в 1783 году, черные дыры не перестают поражать воображение не только ученых, но и писателей, кинематографистов и других представителей творческих профессий. Возможно, такой интерес отчасти вызван тем, что эти загадочные объекты на самом деле никто никогда «не видел». Однако совсем скоро все может измениться, так как международная группа астрономов в настоящий момент завершает процесс объединения в сеть несколько наземных телескопов, в надежде сделать первый в истории снимок черной дыры.

Черные дыры обладают колоссальным уровнем гравитационных сил. Будь то заблудшая планета или звезда – ничто не сможет избежать своей участи быть полностью поглощенным этим астрофизическим объектом. Даже свет. После Мичелла существование черных дыр математическим методом в 1915 году – в качестве решения для уравнений, изложенных в общей теории относительности Альберта Эйнштена, – предсказал немецкий астроном и физик Карл Шварцшильд.
После этого астрономы разбирали косвенные доказательства существования сверхмассивных черных дыр, в миллионы и миллиарды раз обладающих большей массой по сравнению с нашим Солнцем и лежащих в самом сердце всех крупных галактик. Одним из этих косвенных доказательств был эффект гравитационной стяжки, который оказывался на близлежащие звезды, оборачивающиеся вокруг галактических центров. При перенасыщении окружающей галактической материей черные дыры выбрасывают мощные джеты плазмы со скоростью, нередко приближающейся к скорости света. Это стало еще одним из доказательств их существования.
В прошлом году в рамках эксперимента LIGO ученые смогли добыть еще больше доказательств их существования, путем определения так называемых гравитационных волн – ряби пространства-времени, вызванной двумя черными дырами средней массы, столкнувшимися между собой несколько миллионов лет назад.
И тем не менее, несмотря на то что мы знаем об их существовании, вопросы природы черных дыр, их эволюции и влияние на Вселенную по-прежнему остаются открытыми даже для современной астрономии, чьи технологии существенно продвинулись вперед по сравнению с тем временем, когда о черных дырах только начали говорить.

Ловля крошечного пятна в небе

С 5 по 14 апреля 2017 года команда, стоящая за миссией телескопа Event Horizon Telescope (EHT), надеется провести проверку фундаментальных теорий о физике черных дыр и постараться сделать первое в истории изображение горизонта событий черной дыры (так называемой точки невозврата, согласно тем же теориям).
В основе EHT лежит так называемая технология интерферометрии с длинной базой (Very Long Baseline Interferometry, VLBI), позволяющая объединить в глобальную сеть множество наземных телескопов, создав таким образом один гигантский телескоп размером с Землю. Мощности подобной системы должно хватить для того, чтобы заглянуть в самое сердце Млечного Пути и увидеть черную дыру Sagittarius A* («Стрелец А*»), которая обладает массой в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца.

О наличии этой черной дыры астрономам намекает диск из газа и пыли, оборачивающийся вокруг нее. Гравитационное поле объекта искажает свет, проходящий через материю диска. По мнению астрономов, цвет и яркость также будут изменяться предсказуемым образом.
При прямом наблюдении за черной дырой с помощью телескопа Event Horizon астрономы надеются увидеть объект в форме полумесяца, нежели в форме полного диска. Вполне возможно, даже удастся разглядеть тень горизонта событий черной дыры на фоне яркого и сверкающего материала, находящегося рядом с ней газового облака.

Сама сеть телескопа Event Horizon состоит из девяти станций – некоторые представлены отдельными телескопами, некоторые являются сразу набором из нескольких телескопов — расположенных в Антарктиде, Чили, Гавайях, Испании, Мексики и США (Аризона). Разработка «виртуального» телескопа велась многие годы. В большей степени это было связано с испытанием новых технологий. Однако изначальные испытания показали ограниченную чувствительность и недостаточное разрешение, не позволяющие достигнуть нужного результата для возможности наблюдения за черной дырой. Добавление к сети дополнительных чувствительных телескопов, включая Атакамскую Большую Миллиметровую Решетку (ALMA), располагающуюся в Чили, а также телескопа Южного полюса, позволило добавить необходимой мощности виртуальной системе. Эффект был практически таким же, как при надевании очков, когда вместо одного неясного светлого пятна вы видите две фары приближающегося к вам автомобиля.

Сама по себе черная дыра на фоне космоса является очень компактным объектом для наблюдения. Увидеть ее присутствие в оптическом диапазоне спектра (когда вы можете своими глазами видеть свет) совершенно невозможно, так как волны блокируются огромным скоплением частиц пыли и газа, находящегося возле черной дыры. Однако телескопы с нужным разрешением и работающие в более длинном, миллиметровом диапазоне радиоволн, способны пробиться через этот космический туман.

Разрешающая способность телескопов любого вида – тончайшая характеристика, которую можно настроить и измерить, – как правило, выражается в виде углового разрешения, то есть способности оптической системы различать точки изображаемой поверхности. Измеряется в угловых секундах (арксекунда) и минутах (аркминута), а также градусах. Например, угловой размер Луны по отношению к Земле составляет полградуса или занимает 1800 угловых секунд нашего неба. Для любого телескопа чем больше апертура (диаметр), тем более мелкие детали система способна разглядеть на наблюдаемом объекте.

Разрешение одинарного радиотелескопа (обычно со 100-метровой апертурой) составляет около 60 угловых секунд. Это сравнимо с разрешением невооруженного глаза, смотрящего на 1/16 диаметра полной Луны. Путем объединения множества телескопов система Event Horizon Telescope сможет достичь разрешения 15-20 микроарксекунд (0,000015 угловой секунды), что будет эквивалентно виноградине, различимой на дистанции от Земли до поверхности Луны.
Что на кону?
Несмотря на то, что практика объединения нескольких телескопов в одну сеть уже ранее применялась, конкретно в данном случае на пути создания телескопа Event Horizon содержится множество трудностей и подводных камней.
Данные, которые будут записываться каждой станцией, являющейся частью общей сети, будут отправляться в центральный компьютеризированный центр, где суперкомпьютер будет аккуратно их обрабатывать и объединять. Разность погодных условий, атмосферного состояния, состояния самих телескопов в каждом отдельном случае будет существенно отличаться и требовать тончайшей калибровки для того, чтобы ученые смогли получить конечное изображение объекта с минимумом (а еще лучше – полным отсутствием) артефактов.
Если все получится и исследователи наконец получат первые реальные изображения горизонта событий черной дыры, то это откроет целую новую эру в изучении этих астрофизических объектов и позволит решить множество интереснейших загадок, одна из которых звучит следующим образом: а существует ли вообще этот горизонт событий?
Работает ли теория Эйнштейна в условиях столь мощной гравитации или же нам необходимо разработать другие теории гравитации в отношении черных дыр? Как питаются черные дыры и как много материала затем излучают в виде джетов? Все эти вопросы требуют ответа до сих пор.