Что нашли телескопы вблизи горизонта событий чёрных дыр
Благодаря Телескопу горизонта событий (EHT) исследование чёрных дыр перестало быть просто теорией. Астрономы смогли увидеть объекты, чья гравитация настолько сильна, что её не может покинуть даже свет. Рамблер расскажет, как астрофизики получили первые в истории снимки тени чёрной дыры и почему поведение материи на них заставило учёных усомниться в правильности законов физики.
Телескоп горизонта событий (EHT)
Сфотографировать чёрную дыру очень сложно из-за её крошечного в масштабах Вселенной размера. Например, попытаться снять дыру Стрелец А* в центре Млечного Пути похоже на разглядывание теннисного мяча на поверхности Луны с Земли. Чтобы обойти ограничения физики света, учёным понадобился инструмент планетарного масштаба.
Для этого астрофизики объединили радиотелескопы на разных континентах в единую сеть — Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT). Используя метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, они заставили станции собирать данные синхронно, благодаря чему они работают как один гигантский телескоп. Каждая пара телескопов собирает часть данных, а вращение Земли помогает менять угол обзора и постепенно формировать полное изображение.
Синхронизация данных
Радиоволны из космоса достигают разных телескопов не одновременно. Чтобы соединить их в одно целое, сигнал на каждой станции нужно отметить сверхточным временем. Для этого используют водородные мазеры — атомные часы с исключительной стабильностью. Они обеспечивают точность выше четырёх пикосекунд. Это позволяет свести воедино данные с антенн, которые разделены тысячами километров.
Схема устройства Телескопа горизонта событий
Объём собираемой информации исчисляется петабайтами. Данные записывают на жёсткие диски со скоростью до 64 Гбит/с. Передать такой объём через интернет на момент проведения эксперимента было невозможно, поэтому диски физически грузили в самолёты и перевозили в вычислительные центры в США и Германии. Там мощные суперкомпьютеры сопоставляют информацию и компенсируют помехи от атмосферы Земли.
Сверхмассивная дыра в M87 и наш Стрелец А*
Первым успехом проекта стал снимок чёрной дыры в центре галактики M87 в 2019 году, а в 2022 году учёные показали Стрелец А* в центре Млечного Пути. Объект M87* в 1500 раз массивнее чёрной дыры Млечного Пути, но на снимках они выглядят удивительно похоже. Это подтверждает расчёты Общей теории относительности о том, что пространство и время вокруг таких объектов искривляются по универсальным законам.
Оба изображения показывают яркое кольцо света вокруг тёмной области — тени чёрной дыры. Этот свет исходит не из самой дыры, а от раскалённого газа вокруг. Гравитация так сильно отклоняет лучи, что они образуют сферу, в которой свет может бесконечно вращаться вокруг объекта.
Тени чёрных дыр в центрах галактик M87 (слева) и Млечный Путь (справа)
Снять Стрелец А* оказалось на порядок сложнее. Газ вокруг гигантской M87* делает оборот за несколько недель, а вокруг более компактной дыры — за считаные минуты. Из-за этого объект постоянно менялся прямо во время экспозиции, картинка размывалась. Учёным пришлось создать тысячи симуляций и усреднить их, чтобы получить достоверный снимок центра Млечного Пути.
Как астрономы-любители обнаружили центр Галактики с помощью труб и палок
Чтобы узнать больше о достижениях учёных в изучении космоса, можно посмотреть документальные и научно-популярные фильмы. Их легко найти в библиотеке большинства онлайн-кинотеатров.
Что обнаружили приборы
Изображение тени чёрной дыры — лишь видимая вершина того, что удалось сделать при помощи Телескопа горизонта событий. Наблюдение за центрами галактик позволило получить очень много информации об этих объектах. И некоторые сведения оказались странными и интригующими.
Магнитные вихри
Раньше считалось, что материя падает в чёрную дыру хаотично. Однако телескопы зафиксировали поляризованный свет, который указывает на мощные и строго упорядоченные магнитные потоки. В M87* эти поля имеют форму чёткой спирали.
Сопротивление гравитации
Анализ показал, что чёрные дыры находятся в состоянии магнитно-заблокированного диска. Магнитное давление вблизи горизонта событий становится настолько сильным, что буквально выталкивает часть материи обратно. Оно выступает в роли щита, противостоящего гравитации. Это открытие объясняет, почему многие сверхмассивные дыры поглощают меньше вещества, чем предсказывалось ранее.
Аномальные выбросы энергии
Приборы также зафиксировали вспышки и струи плазмы (джеты), чья мощь плохо описывается современными моделями. Например, учёные обнаружили неожиданное изменение направления поляризации в M87*, что говорит о крайне нестабильной среде, где магнитные поля перестраиваются очень быстро.
Материя ведёт себя «неправильно»
Согласно уравнениям Эйнштейна, плазма возле точки невозврата должна поглощаться по предсказуемому сценарию. Однако данные показывают серьёзные расхождения с теорией.
Материя оказалась слишком горячей, слишком быстрой и слишком намагниченной. Температура в диске из газа, окружающем дыру, оказалась на уровне сотен миллиардов градусов. Это намного превышает прогнозы физиков. Сгустки газа вокруг Стрельца А* разгоняются до 30% скорости света. Иногда они двигаются медленнее, чем должны под действием гравитации, из-за эффекта магнитного торможения.
Расположение радиотелескопов, участвовавших в проекте EHT
Существующие компьютерные модели не могут объяснить все эти факты одновременно. В частности, программы предсказывают в два раза большую амплитуду колебаний яркости, чем реально видят телескопы. Это означает, что текущие знания о термодинамике в экстремальных гравитационных полях придётся пересматривать.
Смелые гипотезы
Обнаруженные странности заставили научное сообщество всерьёз обсуждать идеи, которые раньше считались чистой фантазией. Вот лишь некоторые из них:
- Квантовые эффекты. Физики предполагают существование «файервола» — области высокой энергии вместо гладкого горизонта событий. Эта стена может расщеплять на атомы любую материю, подходящую близко к чёрной дыре.
- Экзотическая тёмная материя. Есть радикальная версия, что в центре Млечного Пути вообще нет чёрной дыры. Это может быть сверхплотное скопление тёмной материи, которое создаёт гравитацию и визуальную тень, почти идентичную снимкам EHT.
- Корректировка теории Эйнштейна. Измерения подтвердили Общую теорию относительности с точностью до 10%. Но если в будущем форма тени чёрной дыры отклонится от идеального круга более чем на 15%, физикам придётся искать новые законы, объединяющие гравитацию и квантовую механику.
Чёрная дыра или ядро тёмной материи: что находится в центре Галактики?
Заглянуть глубже
Исследования Телескопа горизонта событий открыли эру точной физики чёрных дыр. Астрономы получили чёткие доказательства существования горизонтов событий и узнали, что магнитные поля напрямую управляют поведением плазмы. Однако выявленные аномалии показывают, что существующие теории не могут описать все эффекты, возникающие у горизонта событий чёрной дыры.
В будущем учёные планируют запустить сеть телескопов следующего поколения — ngEHT. Этот инструмент сможет снимать динамические видеоролики и покажет в реальном времени, как чёрные дыры поглощают газ.