Чудовище в центре нашей Галактики: посмотрите на фото черной дыры в Млечном Пути. Как выглядит черная дыра

Именно такая идея легла в основу мероприятия, посвященного телескопу «Горизонт», в котором приняли участие более 300 ученых из полудюжины научных учреждений по всему миру. Непосредственная задача по созданию силуэта черной дыры была возложена на восемь обсерваторий на четырех континентах.

Там дыра

Полвека назад астрономы впервые предположили наличие огромной черной дыры в центре галактики. Многие данные подтверждают эту теорию. Даже масса этого компактного, нерадиального объекта была рассчитана, но вчера, 12 мая 2022 года, в центре галактики была видна темнота. Михаил Лиссаков из Института радио имени Макса Планка и Астрокосмического центра рассказывает, как и что ученые могут увидеть на этом снимке.

Мероприятие Horizon Telescope (EHT) представляет собой сеть из более чем 300 ученых и 12 ксионографов, соединенных друг с другом в глобальную сеть, которая действует как гигантский беспроводной телескоп. Его миссия, как следует из названия, состоит в том, чтобы как можно более детально изучить негабаритные черные дыры с помощью углового анализа, позволяющего увидеть горизонт.

EHT опубликовала свои первые результаты в 2019 году. Именно тогда коллаборация получила фотографию тени черной дыры в центре М87 Млечного Пути (упомянутой в книге «Нанять горизонт»). Однако данные, необходимые для создания этого изображения, были получены астрономами весной 2017 года. Два года ушло на согласование данных, разработку модели и создание новых методов визуализации.

Данные об изображении тени Стрельца А* в центре нашей галактики также были собраны коллаборацией в апреле 2017 года. Почему ученым понадобилось три года, чтобы показать это?

Чем отличаются сверхмассивные черные дыры в M87 и Млечном Пути?

Огромная черная дыра, показанная EHT в 2019 году, является массивной, одной из самых больших черных дыр, о которых мы знаем. Его масса в 6,5 миллиардов раз превышает массу Солнца. Его дом — гигантская эллиптическая галактика Дева (тонкая 87) в сверхъестественном центре Девы, в 55 миллионах световых лет от Земли. Черная дыра в M87 окружена накопительным лотком и испускает релятивистские струи — заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Джеты M87 хорошо видны во всем электромагнитном спектре.

Струя черной дыры в центре М87 Млечного Пути на этой фотографии, сделанной космическим телескопом X Chandra.

Наша черная дыра Стрелец А* встречается гораздо чаще, чем большая часть Вселенной. Она находится так близко, что до нее 27 000 световых лет, а ее масса на три класса больше, чем у черной дыры М87, солнечная масса которой составляет около четырех миллионов. У него также гораздо более низкая скорость накопления SGRA* и нет никаких признаков того, что он испускает струи.

Но он ближе всего к нам. А с 1990-х годов мы смогли определить его массу, потому что астрономы изучают орбиты звезд вокруг sgra* и берут параметры этих орбит для расчета их масс. Таким образом, результаты двух групп, полученные независимо на двух разных телескопах, хорошо сходятся. Эта работа была удостоена Нобелевской премии по физике в 2020 году (подробнее читайте в нашей статье «И все же она существует»).

Черная дыра в центре М87 примерно в 1000 раз тяжелее Сгра*, которая также в 1000 раз тяжелее. Поскольку размер горизонта черной дыры прямо пропорционален ее массе, а размер ее небесного угла обратно пропорционален расстоянию, теневые изображения обеих черных дыр должны быть примерно одинакового размера. Однако сделать снимок SGRA* оказалось гораздо сложнее.

Во-первых, мы находимся на уровне альбома Галактики и должны видеть ее центр сквозь плотные облака газа и пыли в ходе трансляции.

Когда мы проходим через эти облака, излучение ослабевает, и изображение становится размытым и нечетким — перспектива российского телескопа «Радиоастрон» (читайте 5 лет о «Радиоастроне»). При построении конечного изображения необходимо учитывать как поглощение, так и деформацию излучения. Эти явления были предсказаны теоретически в прошлом, но большинство других активных галактических ядер малы и редко учитываются на практике. Поэтому в рамках сотрудничества EHT необходимо было разработать способ учета этих деформаций, чтобы в итоге получить чистое изображение.

Во-вторых, поскольку sgra* меньше, чем m87*, весь процесс происходит быстрее.

‘В случае с m87* размер факта составляет около полутора световых суток. На этой шкале изображение сковороды меняется очень медленно. Это означает, что камера может оставлять затвор открытым в течение восьми-девяти часов. За это время изображение меняется очень мало, и можно составить единое изображение, используя все данные, собранные за этот период», — объясняет Юрий Ковалев из ASC в беседе с n + 1 в Фиане, Это не относится к черной дыре в центре нашей галактики — которая является черной дырой. Там картина меняется гораздо быстрее, и это главная причина, почему нашим коллегам понадобилось так много времени».

В чем сюрприз

Как и в случае с M87, изображение центра нашей галактики выглядит как яркое кольцо с темным поясом в центре. Сами черные дыры не испускают излучения, но материал, который попадает в них, нагревается и интенсивно светится. Гравитация черной дыры, подобно линзе, фокусирует излучение газообразной среды, что происходит только за счет разницы между знаками преломления, но за счет гравитационного изгиба орбиты фотона.

Сковороды», наблюдаемые в центре M87 и нашей галактики, образуются в результате радиоактивности, испускаемой заряженными частицами, ускоренными до релятивистских скоростей.

Чтобы получить излучение в радиодиапазоне, нужно разогнать заряженные частицы почти до скорости света, — объясняет Ковалев. — Вы можете увидеть фотоны частиц, ускоренных магнитными полями. Кроме того, фотоны, которые черная дыра не захватила, но на направление движения которых повлияла, видны в большей или меньшей степени. Есть фотоны, которые совершили революцию, два вращения вокруг черной дыры».

Фотоны, обернутые один или два раза вокруг черной дыры, выглядят как тонкие, яркие фотонные кольца. Это было сделано Дэвидом Гильбертом в 1916 году, вскоре после публикации общей теории относительности Эйнштейна.

‘То, что мы видим, — это излучение другой материи, созданное фотонными кольцами и черными дырами. И все они размыты из-за неидеального углового анализа телескопа», — говорит Ковалев.

Но темная область в центре похожа на то, что мы не можем увидеть. Все фотоны из этой области упали ниже горизонта событий, не сумев избежать столкновения с черной дырой.

Аккреционный диск, газопылевой тор и прочие обитатели центра галактики

Проблема попытки падения в черную дыру обычно связана с вращением. То есть, вектор скорости имеет компонент, расходящийся от центра черной дыры. Поэтому проблема не может опуститься сразу под горизонт событий, а должна сначала каким-то образом уменьшить это вращение. Это может происходить за счет трения и излучения более или менее тонкого диска. Это называется увеличивающимся диском. Снаружи газ попадает в газослойный сердечник.

По мере того, как вещество блуждает вокруг черной дыры, оно нагревается до миллионов градусов и начинает испускать сильное излучение, включая рентгеновские лучи, теряя вращение и постепенно приближаясь к горизонту событий черной дыры. Часть материала дополнительного заряда расходуется, создавая джет — струю, которая удаляется от полюсов черной дыры почти со скоростью света.

Сходство между изображениями из M87 и центра нашей галактики обычно вызывает большое удивление. В некотором смысле оси вращения обеих черных дыр оказались почти идентичными для нашей планеты.

‘Парадоксально. Оба эти изображения выглядят как кольца, увиденные сверху. Почему она не похожа на сосиску? Почему это не похоже на нехватку? Ковалев. Таким образом, он похож на sgra*, а вопрос вокруг него — это то, где мы смогли увидеть их наиболее красиво».

Он объясняет, что в случае с M87 это было ожидаемо. Ученые знали, куда смотрит черная дыра. ‘Таким образом, мы знали по струе, что ее ось вращения смотрит на нас под углом 16-18 градусов. Все было получено заранее. И здесь нам повезло», — продолжает ученый.

-Сван Х-1 считается первым объектом, который можно считать черной дырой. Лебедь X-1 был предметом дружеского пари между Стивеном Хокингом и его коллегой Кипом Торном в 1974 году, в котором Хокинг поспорил, что источник не является черной дырой. В 1990 году Хокинг признал свое поражение.

Что произошло?

Впервые ученые показали фотографию черной дыры в центре нашей галактики. Международная группа ученых объявила о своем новаторском открытии в прямом эфире 12 мая 2022 года.

Астрономы работали с телескопом Event Horizon Telescope — EHT нарисовал картину Стрельца А*, огромной черной дыры в центре нашей галактики.

Как черную дыру сфотографировали впервые?

В 2019 году телескоп EHT сделал первые снимки раскаленной пыли и газа, окружающих огромную черную дыру в центре М87 Млечного Пути на расстоянии 55 миллионов световых лет.

По словам Франса Кордовы, директора Национального фонда США, изображение черной дыры М87 является самой важной работой современных ученых.

Фотография черной дыры из галактики M87.

Но на первом месте в списке сегодняшних работ EHT стоит черная дыра, скрытая в центре нашей галактики. Стрелец a*, или сокращенно sgg a*, имеет размер 27 000 световых лет в поперечнике, малый вес и массу всего в четыре миллиона раз больше массы нашего Солнца.

Однако есть некоторые вопросы относительно того, смогут ли ученые показать горизонт событий этой черной дыры. Если да, то это похоже на изображение M87.

Зачем нам фото черной дыры?

Джосс Бренд Хоторн, астрофизик из Сиднейского университета, говорит, что когда ученые узнают больше о характеристиках и внешнем виде ближайших черных дыр, это поможет им понять эволюцию нашей галактики.

Однако мы не можем заметить черные дыры. В их центре центр тяжести настолько силен, что свет даже не может вырваться наружу. Для получения снимков черных дыр EHT использует свет, излучаемый горячим газом, вращающимся у края диска черной дыры.

Исследователи проверили свои выводы с помощью различных моделей и пришли к выводу, что черная дыра, а точнее то, что ее окружает, имеет форму полумесяца, а не чего-то другого. Диаграмма отражает диск в форме «пончика», который вращается вокруг черной дыры и в какой-то момент поглощается.

Сверхмассивные чёрные дыры – рождение гигантов

Во Вселенной полно маленьких черных дыр, но они доминируют над своими двоюродными братьями — огромными черными дырами. Диаметр этих массивных черных дыр примерно такой же, как у Солнца, хотя они в миллионы или триллионы раз больше Солнца. Считается, что такие черные дыры находятся в центре почти всех галактик, включая нашу собственную. Ученые не знают точно, как образуются такие большие черные дыры. После формирования эти гиганты собирают сгустки из пыли и газа вокруг себя и в изобилии присутствуют в галактическом центре, что позволяет им вырасти до еще более невероятных размеров.

Негабаритные черные дыры, вероятно, возникают в результате слияния сотен или даже тысяч более мелких черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за это, когда они коллапсируют и быстро накапливают массу. Третий вариант — коллапс скопления звезд, при котором звезда разрушается. Четвертая вероятность заключается в том, что негабаритные черные дыры могут возникать в результате образования больших роев темной материи. Это материя, которую можно наблюдать через ее гравитационное воздействие на другие объекты, но мы не знаем, что такое темная материя. Это связано с тем, что он не излучает свет и его нельзя сразу заметить.

Чёрные дыры средней массы – застрявшие по середине

Раньше ученые считали, что черные дыры могут достигать только маленьких или больших объектов, но последние исследования показали возможность существования промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие объекты могут образовываться, когда звезды в рое сталкиваются в цепной реакции. Множество таких IMBH, сформированных в одной и той же области, в конечном итоге должны слиться в центре галактики и образовать огромную черную дыру.

Галактика Мессье 82 — это обнаруженная черная дыра M82 X-1. Автор и права: nasa / H. Feng et al.

В 2014 году астрономы обнаружили объект. Оказалось, что это черная дыра средней массы в объятиях спиральной галактики.

Астрономы очень пристально смотрят на эти черные дыры средней массы, — говорит Тим Робертс, соавтор исследования из Даремского университета, Великобритания. Он заявляет.

Новое исследование 2018 года показывает, что эти черные дыры могут находиться в центрах карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения за десятью такими галактиками (пять были научно неизвестны до этого исследования) выявили рентгеновскую активность (обычно характерную для черных дыр), что привело к гипотезе о существовании 36 000-316 000 черных дыр с солнечной массой. Эта информация была получена из данных Слоановского цифрового обзора неба, в ходе которого было проанализировано около миллиона галактик и определены типы света, наиболее часто наблюдаемые от черных дыр, которые собирают материальные обломки на небольших расстояниях.

Как чёрные дыры выглядят?

Черные дыры состоят из трех «слоев»: внешнего и внутреннего горизонтов и уникальности.

Горизонт событий черной дыры — это граница вокруг «рта» черной дыры, при прохождении через которую свет перестает излучаться. Гравитация постоянна во всем горизонте событий.

Внутренняя область черной дыры, в которой находится масса объекта, называется сингулярностью. Это единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена вся масса черной дыры.

Первое прямое визуальное доказательство наличия огромной черной дыры в центре эллиптической галактики Messier 87 и ее тени. Горизонт событий, граница черной дыры, примерно в два с половиной раза больше отбрасываемой ею тени. Автор и права: коллаборация EHT.

Ученые не могут увидеть черные дыры, как можно увидеть звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение излучения, испускаемого черной дырой при вращении вокруг нее пыли и газа. Однако огромная черная дыра в центре галактики может быть покрыта плотной пылью и газом, которые могут блокировать излучаемый свет.

Иногда, когда материя вращается и падает в черную дыру, она выталкивается и выбрасывается за горизонт событий вместо того, чтобы быть поглощенной в ее пасти. Появляется струя света, движущаяся почти со скоростью света. Черная дыра остается невидимой, но эти мощные струи можно увидеть издалека.

Изображение черной дыры в галактике M87, полученное с помощью телескопа EHT (выйдет в 2019 году), было сделано с большим трудом и потребовало двух лет исследований даже после получения снимка. Все это произошло потому, что совместная работа телескопов, включая множество обсерваторий по всему миру, собрала так много данных, что их невозможно было передать через Интернет.

Сильная гравитация черной дыры изменяет путь света через различные части диска расширения. Автор и права: NASA Goddard Space Flight Centre/Jeremy Schnittman.

Со временем исследователи планируют получить изображения других черных дыр, чтобы создать базу данных о том, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, станет Стрелец А*, черная дыра в центре нашей галактики. Согласно исследовательскому отчету за 2019 год, Стрелец A * тише, чем ожидалось, что, возможно, интересно из-за магнитного поля, подавляющего его активность. В другом исследовании этого года Стрелец A * окружен ореолом холодного газа, что демонстрирует беспрецедентную картину среды, окружающей черную дыру.

По сравнению с 2017 годом телескоп теперь может наблюдать объекты в два раза меньше и в 2,5 раза тусклее. Кроме того, излучение на новой частоте 345 гигагерц легче рассеивается, чем на прежней частоте 230 гигагерц, поэтому следующее изображение будет чище.

Жизнь черной дыры не вечна

Как предположил С. Хокинг, она ограничена периодом от 10 до 60 лет. Дыры постепенно «размываются», оставляя только основные частицы.

Существует предположение об антиполярной, белой дыре. Если все не войдут и не выйдут в первом, они выйдут только в том случае, если второй не сможет войти. Согласно этой теории, белая дыра появляется на короткое время и плавится, выбрасывая энергию и материю. Очень серьезные ученые считают, что он создает своего рода туннель и что его можно использовать для перемещения на огромные расстояния.