Как должна выглядеть черная дыра? Наши теоретические предсказания вот-вот совпадут с нашими первыми наблюдениями.
В науке нет более захватывающего момента, чем сопоставить давнее теоретическое предсказание с первыми результатами наблюдений или экспериментов. Ранее в этом десятилетии Большой адронный коллайдер обнаружил существование бозона Хиггса, последней неоткрытой фундаментальной частицы в Стандартной модели. Несколько лет назад коллаборация LIGO напрямую обнаружила гравитационные волны, подтвердив давнее предсказание общей теории относительности Эйнштейна.
И всего через несколько дней, 10 апреля 2019 года, телескоп Event Horizon сделает долгожданное объявление, в котором ожидается, что они опубликуют первое в истории изображение горизонта событий черной дыры.. В начале 2010-х такое наблюдение было бы технологически невозможно. Тем не менее, мы не только увидим, как на самом деле выглядит черная дыра, но и проверим некоторые фундаментальные свойства пространства, времени и гравитации.
Если вы хотите отобразить любой объект во Вселенной, вы должны выполнить следующие две задачи:
- Вы должны собрать достаточно света, чтобы увидеть свою цель и выявить ее детали на фоне фонового шума как ваших инструментов, так и других объектов вблизи интересующего вас объекта.
- Вам необходимо достаточное разрешение (или разрешающая способность), чтобы выявить структуру объекта, на который вы смотрите, иначе все ваши данные будут ограничены одним простым пикселем.
Поэтому, если вы хотите отобразить горизонт событий черной дыры, вам нужно собрать достаточно света, чтобы излучение вокруг черной дыры выделялось на фоне остальной окружающей среды, а также исследовать угловые масштабы, которые уже, чем диаметр самого горизонта событий.
Единственный способ сделать и то, и другое - это использовать огромную сверхчувствительную группу радиотелескопов, которые наблюдают за самыми большими черными дырами с точки зрения углового размера, видимыми с Земли. Чем массивнее ваша черная дыра, тем больше будет диаметр ее горизонта событий, но он будет казаться меньше в зависимости от расстояния до нее. Это означает, что самой большой черной дырой будет Стрелец A, сверхмассивная в центре Млечного Пути, а второй по величине будет сверхмассивная в центре галактики M87, находящейся примерно в 60 миллионах световых лет от нас.
Хотя радиотелескопы с одной тарелкой могут обнаруживать излучение любого из них - т.е. они обладают достаточной светосилой - они не могут разрешить горизонт событий. Но массив телескопов, все вместе наблюдающие за целью, могут привести нас туда.
Черные дыры должны быть окружены материей, которая находится в медленном процессе поглощения. Этот материал будет разбросан по внешней стороне черной дыры, вращаясь, нагреваясь и испуская излучение при падении внутрь. Это излучение должно приходиться на радиочастоту спектра и быть наблюдаемым с помощью достаточно чувствительного массива телескопов.
Телескоп горизонта событий (EHT) - это именно та радиосистема, которая нам нужна - с самыми ошеломляющими достижениями, связанными с подключением ALMA в Южной Америке - не только для сбора радиоинформации, но и для получения чрезмерное разрешение. EHT состоит из множества отдельных тарелок с достаточной суммарной светосилой, чтобы выявить излучение, окружающее черную дыру, а расстояния между тарелками обеспечивают разрешение, необходимое для изображения рассматриваемых горизонтов событий.
Мы уже использовали этот метод интерферометрии с длинной базой, чтобы выявить детали, которые были бы невидимы даже в огромный однозеркальный телескоп. Пока объекты, которые вы пытаетесь наблюдать, достаточно яркие и видны в телескопах, которые вы используете для одновременных наблюдений, вы можете получить разрешение изображения, соответствующее расстоянию между телескопами, а не диаметру сами телескопы.
Самое впечатляющее, что массивы телескопов до сих пор использовались для получения изображений извергающихся вулканов на поверхности спутника Юпитера Ио, даже в тот момент, когда Ио попадает в тень другого спутника Юпитера.
EHT использует точно такую же концепцию для исследования излучения, исходящего от черных дыр с наибольшим угловым диаметром, видимым с Земли. Вот шесть вещей, которые мы готовы узнать, когда будут выпущены первые изображения.
1.) Имеют ли черные дыры правильные размеры, предсказываемые общей теорией относительности? Согласно теории Эйнштейна, основанной на измеренной гравитационной массе черной дыры в центре Млечного Пути, сам горизонт событий должен иметь диаметр 11 микросекунд дуги (Мас), но не должно быть никаких излучений, исходящих в пределах 37 Мсек, благодаря тому, что внутри этого углового диаметра материя должна быстро двигаться по спирали к сингулярности. С разрешением 15 мсек, EHT должен иметь возможность видеть горизонт и измерять, соответствует ли его размер нашим предсказаниям или нет. Это будет потрясающая проверка общей теории относительности.
2.) Аккреционные диски выровнены с черной дырой, галактикой-хозяином или случайным образом? Мы никогда не наблюдали аккреционного диска раньше, и фактически единственное реальное указание на ориентацию вещества, окружающего черные дыры, исходит из случаев, когда:
- излучаемый джет, который мы можем обнаружить из черной дыры,
- или из окружающей области исходит продолжительное излучение.
Но ни одно из этих наблюдений не может заменить прямое измерение. EHT, когда появятся эти первые изображения, сможет сказать нам, находится ли аккреционный диск ребром, лицом или любой другой ориентацией.
3.) Является ли горизонт событий черной дыры круглым, как предсказано, или он принимает другую форму? Хотя все физически ожидается, что реалистичные черные дыры будут в некоторой степени вращаться, а форма горизонта событий будет неотличима от формы идеальной сферы.
Но возможны и другие формы. Некоторые объекты выпячиваются вдоль своих экваторов при вращении, создавая форму, известную как сплюснутый сфериод, например, планету Земля. Другие ползут вверх вдоль осей вращения, образуя футбольную форму, известную как вытянутый сфероид. Если общая теория относительности верна, мы предвидим сферу, но ничто не заменит того, чтобы мы сами делали критические наблюдения. Когда изображения выйдут 10 апреля, у нас должны быть ответы.
4.) Почему черные дыры вспыхивают? Когда черная дыра не вспыхивает, существуют определенные признаки, которые мы ожидаем, появится вокруг горизонта событий. Но затем, когда черная дыра вспыхивает, окружающее ее излучение проявляет различные особенности.
Но как будут выглядеть эти выбросы? Будут ли постоянно появляться на диске турбулентные элементы? Будут ли, как и предсказывалось, «горячие точки», наиболее заметные в пылающем состоянии? Если нам повезет, и мы увидим любую из этих сигнатур, мы сможем понять, почему черные дыры вспыхивают, просто наблюдая за окружающим их протяженным радиоизлучением. Мы также должны получить на основе этих наблюдений дополнительную информацию о напряженности магнитных полей, окружающих эти черные дыры.
5.) Смещены ли рентгеновские оценки массы черной дыры в сторону меньших значений? В настоящее время существует два способы вывести массу черной дыры: из измерения ее гравитационного воздействия на звезды (и другие объекты), которые вращаются вокруг нее, и из (рентгеновского) излучения газа, который вращается вокруг нее. Мы можем легко провести газовые измерения для большинства черных дыр, включая ту, что находится в центре Млечного Пути, что дает нам массу приблизительно 2,5-2,7 миллиона солнечных масс.
Но гравитационные измерения гораздо более прямолинейны, несмотря на то, что это более сложная задача для наблюдений. Тем не менее, мы сделали это в нашей собственной галактике и получили массу примерно в 4 миллиона солнечных масс: примерно на 50% больше, чем показывают рентгеновские наблюдения. Мы полностью ожидаем, что это будет размер измеряемого нами горизонта событий. Если измерения M87 покажут более высокое значение, чем показывает рентгеновское излучение, мы можем узнать, что оценки рентгеновского излучения систематически занижены, показывая нам, что в игру вступает новая астрофизика (но не новая фундаментальная физика).
6.) Можем ли мы увидеть, как черная дыра «дрожит» со временем, как и предсказывалось?Это может произойти не сразу, особенно если все, что мы получаем из этих первоначальных наблюдений, - это одно изображение одной или двух черных дыр. Но одной из научных целей EHT является наблюдение за тем, как черные дыры эволюционируют со временем, а это означает, что они планируют сделать несколько изображений в разное время и реконструировать фильм об этих черных дырах.
Из-за присутствия звезд и других масс видимое положение черной дыры будет значительно меняться с течением времени, поскольку она подвергается гравитационному движению. Хотя, вероятно, потребуются годы, чтобы наблюдать заметное движение черной дыры, у нас есть данные, которые были получены в течение длительного времени. В центрах галактик черные дыры, полученные с помощью EHT, могут начать проявлять признаки этого дрожания: космический эквивалент броуновского движения.
Ключевые наблюдения для создания первого изображения черной дыры, если предположить, что EHT опубликует одну из черных дыр в центре Млечного Пути, были сделаны еще в 2017 году: два полных года назад. Столько времени ушло на анализ, очистку, вырезание, корректировку и синтез полного набора данных, что соответствует примерно 27 петабайтам для критического наблюдения.(Хотя только около 15% этих данных являются релевантными и пригодными для построения изображения.)
В 9:00 по восточному времени (6:00 по тихоокеанскому времени) 10 апреля коллаборация EHT проведет пресс-конференцию, на которой они должны опубликовать первое изображение горизонта событий, и вполне возможно, что на многие или, возможно, даже на все эти вопросы будут даны ответы. Какими бы ни были результаты, это монументальный шаг вперед для физики и астрофизики, открывающий новую эру науки: прямые испытания и изображения самого горизонта событий черной дыры!