Что исследование черных дыр может рассказать нам о Вселенной
Не так давно идея сфотографировать черную дыру была такой же донкихотской, как сфотографировать единорога. Теперь у ученых есть не одно, а два изображения двух разных сверхмассивных черных дыр, и оба они выглядят волшебно, как пылающие пончики. «Я помню, когда черные дыры были чисто теоретическими», — сказала Эллен Стофан, заместитель секретаря по науке и исследованиям в Смитсоновском институте и бывший главный научный сотрудник НАСА. В беседе, которую модерировал Стофан, собрались четыре члена группы ученых под руководством Гарварда, которая в 2019 году представила миру первое изображение черной дыры — гиганта, получившего название M87 в честь своей галактики Мессье 87. За несколько часов до дискуссии команда поделилась вторым изображением — крупным планом звезды Стрельца A (или Sgr A *), черной дыры, перекусывающей светом и космическим мусором в центре нашей собственной галактики Млечный Путь.
«Теперь не может быть никаких сомнений в том, что мы впервые увидели черные дыры», — сказал Шеп Доулман, директор-основатель коллаборации Event Horizon Telescope, международной группы из более чем 100 ученых во главе с Центром астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт. «Это рассвет новой эры в астрономии». В эту новую эру ученые смогут подтвердить — или опровергнуть — давние теории гравитации и относительности Эйнштейна, найти Землю 2.0 или открыть червоточину в другую вселенную. (Последнее не будет таким трудным для Доулмана, который нахально сказал, что он пришел из другой вселенной.) Сфотографировать черную дыру еще сложнее, чем кажется. «Чтобы делать снимки объектов, находящихся так далеко, «вам понадобится телескоп размером с Землю», — говорит Кари Хаворт, инженер и главный технический директор Центра астрофизики. «Мы этого не сделали, потому что это невозможно, и это испортило бы мнение многих людей», — сказала она.
Вместо этого исследователи превратили Землю в гигантский телескоп, координируя отдельные машины, расположенные на Гавайях, в Чили, Мексике, Испании, Франции и других местах. Каждая команда должна была сделать фото в одно и то же время. Поскольку черные дыры поглощают все, что оказывается слишком близко, даже свет, их невозможно увидеть. Но их массивная гравитация притягивает и сжимает близлежащий свет и обломки, создавая вращающийся газовый вихрь, изобилующий энергией. «Превращение падающей материи в светимость», — так выразился Доулман.
Это свечение можно увидеть и сфотографировать. Часть света, который попадает в гравитационное поле черной дыры, совершает разворот или петлю, прежде чем вырваться и выстрелить в направлении Земли, неся изображение того, откуда он пришел. Последняя фотография, сделанная командой EHT, состоит из снимков, сделанных каждым телескопом и сложенных один поверх другого. Чтобы объединить все эти данные — свет, снятый в очень точный момент времени — команде нужно было совершить еще один странный подвиг. Каждая группа телескопов заморозила свой свет, сохранила его на жестких дисках (он слишком большой, чтобы отправлять его через Интернет) и доставила его на самолете в одно центральное место.
M87, первая черная дыра, получившая статус звезды, примерно в 1000 раз больше, чем A-звезда Стрельца, и гораздо более стабильна, но изображения получились почти такими же, удачный ход для EHT и Альберта Эйнштейна. Эйнштейн предположил, что черные дыры обладают только тремя характеристиками — массой, вращением и зарядом — и не имеют «волос» (как астрофизики любят называть дополнительные свойства). Единственное отличие — небольшое размытие изображения Стрельца А-звезды. По словам астрофизика Пола Тиеде, черная дыра нашей галактики более суетлива, беспокойна, как ребенок, и труднее получить четкое изображение чего-то, что постоянно меняется. Кроме того, между нами и Стрельцом А-звездой есть какой-то космический суп, который немного затемняет изображения. «Даже учитывая это, — сказал Тиеде, — я все еще поражен тем, насколько похожи эти изображения».
Судя по тому, как описываются черные дыры, можно предположить, что это ненасытные монстры, засасывающие все в космосе, как слив в ванне. Не совсем. Хотя они являются самыми мощными объектами во Вселенной — Доулман сказал, что черная дыра, образовавшаяся в результате складывания Земли пополам, могла бы питать Манхэттен в течение года — они не поглощают целые галактики, а просто искажают пространство-время и смещают объекты из их предназначения. пути. Это хорошая новость, потому что команда EHT подозревает, что в центре каждой галактики есть сверхмассивная черная дыра. Но даже с этими новыми изображениями, по словам Тиеде, «мы почти ничего о них не знаем». (На вопрос, почему черные дыры имеют форму пончика, он ответил: «Потому что они вкусные».)
«Черные дыры живут на границе наших нынешних знаний о физике и астрофизике», — сказал Анджело Рикарте, который привел на панельную дискуссию свою любимую черную дыру по имени По — мягкий черный шар с двумя выпученными глазами. Эти новые изображения уже помогают Рикарте и другим ученым изучать странную физику перегретых газов, вращающихся вокруг черных дыр, а также то, как бегемоты извергают струи этих газов на миллионы световых лет в любом направлении. Эти струи, по словам Рикарте, могут помочь объяснить «историю нашего космического происхождения», оказать глубокое влияние на эволюцию нашей галактики или соединить теории очень больших и очень маленьких, чтобы поддержать теорию всего. «Есть много вещей, которые мы до сих пор не до конца понимаем в этих экстремальных условиях», — сказал он. Чтобы лучше понять, Доулман хочет построить еще больший телескоп, поместив еще одно устройство обработки изображений на спутник, вращающийся вокруг Земли. Он также надеется снять что-то более захватывающее, чем фотография черной дыры: фильм о черной дыре. «Если бы мы могли измерять орбиты материи, это была бы совершенно другая проверка теории Эйнштейна», — сказал он.
