И чему нам еще предстоит научиться?
Первоначальная идея черной дыры восходит к 1783 году, когда ученый из Кембриджа Джон Мичелл понял, что достаточно массивный объект в достаточно небольшом объеме пространства сделает все - даже свет - неспособным убежать от него. Более века спустя Карл Шварцшильд нашел точное решение общей теории относительности Эйнштейна, которое предсказывало тот же результат: черную дыру.
И Мичелл, и Шварцшильд предсказали явную связь между горизонтом событий, или радиусом области, из которой не может выйти свет, и массой черной дыры, а также скоростью света. В течение 103 лет после Шварцшильда это предсказание оставалось непроверенным. В конце концов, 10 апреля 2019 года ученые показали первое в истории изображение горизонта событий черной дыры. Теория Эйнштейна снова победила, как и вся наука.
Хотя мы уже много знали о черных дырах до первого прямого изображения горизонта событий, этот новый релиз действительно меняет правила игры. До этого открытия у нас было множество вопросов, и теперь на многие из них успешно получены ответы.
10 апреля 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала первое успешное изображение горизонта событий черной дыры. Рассматриваемая черная дыра происходит из галактики Мессье 87: самой большой и самой массивной галактики в нашем местном сверхскоплении галактик. Угловой диаметр горизонта событий был измерен и составил 42 угловых микросекунды, что означает, что потребуется 23 квадриллиона черных дыр эквивалентного размера, чтобы заполнить все небо.
На расстоянии 55 миллионов световых лет предполагаемая масса черной дыры в 6,5 миллиардов раз больше массы нашего Солнца. Физически это соответствует размеру, большему, чем орбита Плутона вокруг Солнца. Если бы черной дыры не было, свету потребовалось бы около суток, чтобы пересечь диаметр горизонта событий. Только потому, что:
- Телескоп Event Horizon имеет достаточное разрешение, чтобы увидеть эту черную дыру,
- черная дыра является сильным источником радиоволн,
- и на переднем плане очень мало радиоизлучения, которое загрязняет сигнал,
что мы вообще смогли построить это первое изображение. Теперь, когда мы это сделали, вот 10 важных уроков, которые мы либо усвоили, либо уже на пути к усвоению.
1. Это действительно черная дыра, как и предсказывала Общая теория относительности. гравитации может перевернуть Эйнштейна с ног на голову», вы, вероятно, поняли, что у физиков нет проблем с выдумыванием теорий, альтернативных общепринятым. Несмотря на то, что общая теория относительности прошла все испытания, которые мы ей устроили, недостатка в расширениях, заменителях или возможных заменах нет.
Ну, это наблюдение исключает множество из них. Теперь мы знаем, что это черная дыра, а не червоточина, по крайней мере, для наиболее распространенного класса моделей червоточин. Мы знаем, что существует реальный горизонт событий, а не голая сингулярность, по крайней мере, для многих общих классов голых сингулярностей. Мы знаем, что горизонт событий не является твердой поверхностью, так как падающая материя генерировала бы инфракрасную сигнатуру. Это в пределах сделанных нами наблюдений согласуется с общей теорией относительности.
Однако это наблюдение также ничего не говорит о темной материи, наиболее модифицированных теориях гравитации, квантовой гравитации или о том, что лежит за горизонтом событий. Эти идеи выходят за рамки наблюдений Телескопа Горизонта Событий.
2. Гравитационная динамика звезд дает хорошие оценки масс черных дыр; наблюдения газа неДо первого изображения Телескопа Горизонта Событий у нас было несколько различных способов измерения массы черных дыр. Мы могли бы использовать измерения звезд - , такие как отдельные орбиты звезд вокруг черной дыры в нашей собственной галактике, или линии поглощения звезд в M87 - , которые дают нам гравитационную массу, или выбросы газа, движущегося вокруг центральной черной дыры. дыра.
И для нашей галактики, и для M87 эти две оценки были очень разными, при этом гравитационные оценки были примерно на 50-90% больше, чем газовые. Для M87 измерения газа показали, что масса черной дыры составляет 3,5 миллиарда Солнц, в то время как гравитационные измерения были ближе к 6,2-6,6 миллиардам. Согласно результатам Event Horizon Telescope, черная дыра весит 6,5 миллиардов солнечных масс, что говорит нам о том, что гравитационная динамика является хорошим индикатором массы черной дыры, но выводы по газу смещены в сторону более низких значений. Это отличная возможность пересмотреть наши астрофизические предположения об орбитальном газе.
3. Это должна быть вращающаяся черная дыра, и ее ось вращения направлена в сторону от Земли При наблюдениях за горизонтом событий, окружающим его радиоизлучением, крупномасштабным джетом и протяженным радиоизлучением излучения, которые были измерены ранее другими обсерваториями, Сотрудничество с телескопом Event Horizon определило, что это должна быть керровская (вращающаяся), а не шварцшильдовская (невращающаяся) черная дыра.
Нет ни одной простой функции, на которую мы могли бы обратить внимание, чтобы выявить эту природу. Скорее, мы должны построить блестящие модели самой черной дыры и материи за ее пределами, а затем развить их, чтобы увидеть, что происходит. Когда вы смотрите на различные сигналы, которые могут возникнуть, вы получаете возможность ограничить то, что, возможно, согласуется с вашими результатами. Черная дыра должна вращаться, а ось вращения направлена от Земли примерно на 17 градусов.
4. Мы смогли окончательно определить, что вокруг черной дыры существует материя, соответствующая аккреционным дискам и потокам. и рентген. Вы не можете получить такое излучение только от звезд или фотонов; вам нужна материя и, в частности, электроны. Только ускоряя электроны в магнитном поле, можно получить характерное радиоизлучение, которое мы видели: синхротронное излучение.
Это тоже потребовало огромного количества работы по моделированию. Изменяя различные параметры всех возможных моделей, вы узнаете, что эти наблюдения не только требуют аккреционных потоков для объяснения радиорезультатов, но и обязательно предсказывают нерадиорезультаты, такие как рентгеновское излучение. Ключевыми наблюдениями для этого занимался не только Телескоп горизонта событий, но и другие обсерватории, такие как рентгеновский телескоп Чандра. Аккреционные потоки должны стать горячими, на что указывает спектр центрального излучения M87, согласующийся с релятивистскими, ускоряющими электроны в магнитном поле.
5. Видимое кольцо указывает на силу гравитации и гравитационное линзирование вокруг центральной черной дыры; Опять же, Общая теория относительности проходит проверку Это кольцо радио не соответствует ни самому горизонту событий, ни кольцу вращающихся частиц. Это также не самая внутренняя стабильная круговая орбита (ISCO) черной дыры. Вместо этого это кольцо возникает из сферы гравитационно-линзированных фотонов, которые изгибаются под действием гравитации черной дыры, прежде чем попасть к нам в глаза.
Свет изгибается в большую сферу, чем можно было бы ожидать, если бы гравитация не была такой сильной. Согласно первой из шести статей, опубликованных коллаборацией Event Horizon Telescope,
«Мы обнаружили, что 6 433 45 250 % общего потока в угловых секундах исходит из области вблизи горизонта, и что внутри этой области излучение резко подавлено в 6 433 45 210 раз, что обеспечивает прямое свидетельство предсказанной тени. черной дыры».
Согласие между предсказаниями общей теории относительности и тем, что мы здесь видели, - еще одно замечательное перо в шапке величайшей теории Эйнштейна.
6. Черные дыры являются динамическими объектами, и испускаемое ими излучение меняется со временем При реконструированной массе в 6,5 миллиардов солнечных масс свету требуется примерно сутки, чтобы пересечь горизонт событий черной дыры. Это примерно определяет временную шкалу, в течение которой мы ожидаем увидеть изменения и колебания характеристик в излучении, наблюдаемом Телескопом Горизонта Событий.
Даже с наблюдениями, которые охватывают всего несколько дней, мы подтвердили, что структура испускаемого излучения меняется со временем, как и предсказывалось. Данные 2017 года содержат четыре ночи наблюдений. Даже взглянув на эти четыре изображения, вы можете визуально увидеть, как первые две даты имеют схожие характеристики, а последние две даты имеют схожие характеристики, но есть определенные изменения, которые видны - и варьируются - между ранними и поздними наборами изображений. Другими словами, характеристики излучения вокруг черной дыры M87 действительно со временем меняются.
7. Телескоп Event Horizon в будущем покажет физическое происхождение вспышек черных дыр Мы видели в рентгеновском и радиодиапазоне черную дыру в центре нашего Млечного Пути. излучают кратковременные всплески излучения. Хотя самым первым опубликованным изображением была сверхмассивная черная дыра в M87, изображение в нашей галактике - Стрелец A - будет таким же большим, но изменится в гораздо более быстром временном масштабе.
Вместо 6,5 миллиардов солнечных масс масса Стрельца A составляет всего 4 миллиона солнечных масс: на 0,06% больше. Это означает, что вместо изменения во временном масштабе около дня мы рассматриваем изменчивость во временном масштабе около минуты. Его функции будут быстро развиваться, и когда произойдет вспышка, он сможет определить природу этих вспышек.
Как вспышки связаны с температурой и светимостью видимых радиоэлементов? Происходят ли события магнитного пересоединения, подобные выбросам корональной массы нашего Солнца? Что-то раскалывается в аккреционных потоках? Стрелец А вспыхивает ежедневно, поэтому мы сможем отслеживать сигналы, связанные с этими событиями. Если наши симуляции и наблюдения будут такими же хорошими, как и для M87, а они должны быть такими, мы сможем определить, что вызывает эти события, и, возможно, даже узнать, что падает в черную дыру, чтобы их вызвать.
8. Прибывают данные о поляризации, которые покажут, обладают ли черные дыры собственным магнитным полем. изображение уже в пути: оно иллюстрирует поляризацию света, исходящего от черной дыры. Из-за электромагнитной природы света его взаимодействие с магнитным полем отпечатает на нем определенную поляризационную сигнатуру, что позволит нам реконструировать магнитное поле черной дыры, а также то, как это поле изменяется с течением времени.
Мы знаем, что материя за горизонтом событий, поскольку она основана на движущихся заряженных частицах (таких как электроны), будет генерировать собственное магнитное поле. Модели показывают, что силовые линии могут либо остаться в аккреционных потоках, либо пройти через горизонт событий, в результате чего черная дыра заякорит их. Существует связь между этими магнитными полями, аккрецией и ростом черных дыр и испускаемыми ими струями. Без полей материя в аккреционных потоках не могла бы потерять угловой момент и попасть за горизонт событий.
Данные поляризации, благодаря силе поляриметрической визуализации, скажут нам об этом. У нас уже есть данные; нам просто нужно выполнить полный анализ.
9. Усовершенствования инструментов телескопа Event Horizon выявят наличие дополнительных черных дыр вблизи галактических центров Когда планета вращается вокруг Солнца, это происходит не только потому, что Солнце оказывает гравитационное притяжение на планету. Вместо этого есть равная и противоположная реакция: планета притягивается к Солнцу. Точно так же, когда объект вращается вокруг черной дыры, он также оказывает гравитационное притяжение на саму черную дыру. С целым рядом масс вблизи центров галактик - и, теоретически, присутствует множество маленьких невидимых черных дыр - центральная черная дыра должна испытывать дрожание, подобное броуновскому движению, относительно своего положения.
Сегодня при выполнении этого измерения требуется опорная точка для калибровки вашего положения относительно положения черной дыры. Техника измерения этого будет включать взгляд на ваш калибратор, затем на ваш источник, затем на ваш калибратор, затем на ваш источник и т. д. Это требует очень быстрого взгляда в сторону, а затем обратно на вашу цель. К сожалению, атмосфера меняется так быстро, за время от 1 до 10 секунд, что у вас нет времени отвести взгляд, а затем снова посмотреть на цель. Это невозможно сделать с помощью современных технологий.
Но это та область, где технологии развиваются невероятно быстро. Инструменты, используемые коллаборацией Event Horizon Telescope, ожидают обновлений и могут достичь необходимой скорости к середине 2020-х годов. Эта загадка может быть решена к концу следующего десятилетия, и все благодаря усовершенствованию приборов.
10. Наконец, телескоп горизонта событий может в конечном итоге увидеть сотни черных дыр. объекта, на который вы смотрите. Для текущего телескопа Event Horizon только три известные черные дыры во Вселенной имеют достаточно большой диаметр: Стрелец A, центр M87 и центр (бесшумной) галактики NGC 1277.
Но мы могли бы увеличить мощность Телескопа Горизонта Событий за пределы Земли, запустив телескопы на орбиту. Теоретически это уже технологически осуществимо. Фактически, российская миссия «Спект-Р» (или «РадиоАстрон») делает это сейчас! Массив космических аппаратов с радиотелескопами на орбите вокруг Земли обеспечил бы гораздо более высокое разрешение, чем то, что мы имеем сегодня. Если бы мы увеличили нашу базовую линию в 10 или 100 раз, наше разрешение увеличилось бы на ту же величину. Точно так же, когда мы увеличиваем частоту наших наблюдений, мы также увеличиваем наше разрешение, точно так же, как большее количество длин волн более высокочастотного света может поместиться в телескоп того же диаметра.
С этими улучшениями вместо двух или трех галактик мы могли бы обнаружить черные дыры в сотнях из них, а возможно, и в большем количестве. Поскольку скорость передачи данных продолжает расти, возможна быстрая передача данных по нисходящей линии связи, поэтому нам физически не нужно будет возвращать данные в одно место. Будущее визуализации черных дыр безоблачно.
Важно признать, что мы абсолютно не смогли бы сделать это без глобальной, международной сети ученых и оборудования, работающих вместе. Вы можете узнать еще больше подробной истории о том, как появилось это впечатляющее достижение, из документального фильма о Смитсоновском институте, премьера которого состоится в эту пятницу, 12 апреля.
Многие уже предполагают, хотя уже слишком поздно для этого года, что это открытие может привести к присуждению Нобелевской премии по физике уже в 2020 году. среди награжденных:
- Шеп Доулман, который был инициатором, основателем и руководителем этого проекта,
- Хейно Фальке, написавший основополагающий документ, подробно описывающий, как техника VLBI, используемая телескопом горизонта событий, может отображать горизонт событий,
- Рой Керр, чье решение для вращающейся черной дыры в общей теории относительности является основой для деталей, используемых сегодня в каждом моделировании,
- Жан-Пьер Люмине, который впервые смоделировал изображение черной дыры еще в 1970-х, даже предложив M87 в качестве потенциальной цели,
- и Эйвери Бродерик, внесший один из наиболее важных вкладов в моделирование аккреционных потоков вокруг черных дыр.
История телескопа «Горизонт событий» - замечательный пример науки с высоким риском и высоким вознаграждением. Во время десятилетнего обзора 2009 года их амбициозное предложение заявило, что к концу 2010-х годов будет изображение черной дыры. Десять лет спустя у нас это действительно есть. Это невероятное достижение.
Он опирался на вычислительные достижения, строительство и интеграцию множества радиотелескопов и сотрудничество международного сообщества. Атомные часы, новые компьютеры, корреляторы, которые могли бы соединить разные обсерватории, и многие другие новые технологии должны были быть внедрены на каждой из станций. Вам нужно было получить разрешение. И финансирование. И время испытаний. И, кроме того, разрешение на наблюдение на всех разных телескопах одновременно.
Но все это случилось, и ничего себе, это когда-нибудь окупилось. Сейчас мы живем в эпоху астрономии черных дыр, и горизонт событий существует, чтобы мы могли его представить и понять. Это только начало. Никогда еще так много не удавалось получить, наблюдая за областью, из которой ничто, даже свет, не может ускользнуть.
Автор благодарит ученых EHT Майкла Джонсона и Шепа Доулмана за их невероятные идеи и информативные интервью, касающиеся первых результатов и будущих возможностей науки о черных дырах, горизонтах событий и средах, которые окружить их.