Силуэт черной дыры на фоне ее раскаленного обеда: что на самом деле сфотографировали ученые в космосе (и зачем)
Что на самом деле показали ученые?
Большинство российских и ряд западных СМИ написали про «первый в истории снимок черной дыры». Увы, это не так. Черная дыра называется так потому, что она черная: ее гравитация так сильна, что любые фотоны могут только влететь в нее, но не покинуть. Космос за черной дырой тоже в основном черный. Увидеть черное на черном очень сложно: попробуйте найти черную кошку в абсолютно темной комнате — и быстро поймете, о чем мы. Тем более что объект, который они снимали, — сверхмассивная черная дыра М87 в центре одноименной далекой галактики — вообще-то лежит в 53 миллионах световых лет от нас. Поэтому его видимый размер для земного наблюдателя ровно такой же, как у черного котенка, лежащего на поверхности абсолютной черной Луны во время самой темной лунной ночи.
Конечно, астрономы и не пытались сделать снимок такого объекта. Достаточно открыть научный журнал, в котором опубликована статья о нем, чтобы прямо в ее заголовке прочитать: на снимке «тень сверхмассивной черной дыры», не она сама.
Почему же многие научно-популярные СМИ — и даже некоторые астрономы в соцсетях — написали «Получен первый снимок черной дыры»? Как отметила в беседе с нами Ирина Якутенко, основатель популяризаторского агентства «Чайник Рассела» и научный журналист, «с точки зрения маркетинга и повышения шансов на новые гранты по теме они совершенно правильно пишут, что увидели именно черную дыру, а не тень (тем более что это не тень в привычном понимании этого слова)». Увы, но да, современная наука чем-то похожа на шоу-бизнес: она тоже требует большого финансирования, и чтобы общество давало на это деньги, нужно рассказывать ему красочные истории. Объяснить, что именно было на снимке, в громком, но коротком заголовке сложно. Поэтому многие решили не напрягаться и написать про «снимок черной дыры» — так проще будет получать деньги на новые исследования.
В реальной жизни все было совсем не так. Крупные черные дыры притягивают к себе много газа и пыли из окружающего пространства, и перед тем, как свалиться в дыру, газ и пыль начинают вращаться вокруг нее, образуя «бублик». Частицы вещества из бублика неизбежно трутся друг о друга. Чем массивнее дыра и чем больше материи она пожирает в единицу времени, тем сильнее это трение. В итоге температура в таком постоянно поедаемом бублике повышается до миллиардов градусов и он начинает исключительно сильно светиться. У черной дыры М87 аппетит очень хороший, поэтому пожираемый ею бублик сверхгоряч и светит сильнее, чем поверхность обычной звезды.
Что это за «тень» такая?
Ирина Якутенко права: то, что показали астрономы, не совсем тень в обычном смысле этого слова. Нормальная тень — это если бы сторонний источник светил на черную дыру и от этого в потоке света возникал бы зазор, по форме повторяющий силуэт дыры. Однако черная дыра обладает исключительно сильной гравитацией, поэтому она искажает свет от стороннего источника намного сильнее, чем если бы просто стояла на его пути. Это легко видеть и на снимке: половина «кольца» вокруг черной дыры тусклее, а половина — ярче. Это потому, что гравитация черной дыры М87 замедлила половину фотонов от бублика раскаленной материи вокруг этой самой черной дыры, отчего половина эта и кажется нам тусклой.
В теории можно сделать снимок не только тени, но и самой черной дыры. Да, она ничего не излучает и поглощает любой падающий на нее свет, но ничего страшного в этом нет. «Черный квадрат» Малевича тоже ничего не излучает: черные предметы либо поглощают, либо рассеивают в стороны почти весь падающий на них свет. Черная дыра отличается от них только формой (примерно сферической) и тем, что поглощает фотоны идеально, ничего не рассеивая. То есть увидеть ее все равно можно: на фоне светящегося бублика она будет выглядеть просто черным провалом. Но сделать это земными телескопами пока нереально, для этого надо «подтянуть» наши телескопы намного, намного ближе.
Чем и как был сделан снимок?
Даже тень черной дыры в полусотне миллионов световых лет увидеть одним-единственным земным телескопом пока невозможно. Для этого использовался Event Horizon Telescope — группа из одиннадцати согласованных радиотелескопов, разбросанных по планете от Антарктиды (десятиметровый радиотелескоп South Pole Telescope на полярной станции) до северного полушария. Разнесенные на тысячи километров друг от друга радиотелескопы вместе позволили ловить фотоны от раскаленного бублика вокруг черной дыры М87 и складывать полученные элементы пазла в одну картинку.
Всего для снимка было использовано 5 тысяч терабайт информации от этих 11 телескопов — элементов Event Horizon Telescope. Это настолько большой объем, что его пересылали к обрабатывающему данные суперкомпьютеру в виде жестких дисков по почте — бессбойная передача по интернету заняла бы слишком много времени.
Но и это само по себе еще не позволило бы получить столь четкий снимок.
Сделать его реальностью помогла работа Кэти Боман, 29-летней выпускницы Массачусетского технологического института. Вместе с коллегами она разработала специальный алгоритм, позволяющий объединять данные от разных телескопов, расположенных в тысячах километров друг от друга. Чтобы точнее «увидеть» тень черной дыры, команда людей под ее руководством ввела в алгоритм модель, которая учитывала теоретические предсказания теории относительности Эйнштейна, чтобы точнее интерпретировать входящие данные.
Не все изображения, которые получали 11 частей Event Horizon Telescope, были одинакового качества: какие-то из них были более четкими, какие-то — менее. Построив с помощью моделирования ожидаемый облик тени от черной дыры такого размера, как М87, команда Боман смогла отсеять менее качественные изображения от более качественных и в итоге получить «картинку» такого уровня, которую без «очищающего» алгоритма было бы невозможно создать.
Зачем землянам изображение черной дыры?
Снимок подтверждает как сам факт существования черных дыр — хотя в нем никто и так не сомневался, — так и то, насколько точны наши представления о них и бублике из пожираемой ими материи. Попутно он позволил несколько уточнить размеры и, соответственно, массу сверхмассивной черной дыры в центре эллиптической (округлой) галактики М87 в 53,5 миллиона световых лет от нас. М87 оказалась очень солидной дырой — в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца. Диаметр ее — 30 миллиардов километров. То есть если взять центральную часть Солнечной системы — от Солнца до Плутона — и засунуть ее внутрь этой черной дыры, то все наши планеты там спокойно поместятся и еще останется немало дополнительного места.
Другая примечательная деталь: судя по новым снимкам, черная дыра М87 вращается с огромной скоростью, более 90 % от теоретически возможной. С близкой скоростью вращается и бублик материи вокруг нее. Такая огромная скорость вращения получена для черной дыры впервые и очень интересна. Дело в том, что черная дыра вращается тем быстрее, чем больше вещества упало на нее за всю ее историю. Получается, М87 не только сейчас активно пожирает материю (что и так видно на снимке ее тени), но и делает это уже миллиарды лет подряд без заметных пауз. Это очень резко отличает ее от поведения большинства черных дыр, которые «питаются» намного скромнее. Было бы неплохо понять, почему М87 такая особенная и что вообще определяет аппетит таких опасных объектов, как крупная черная дыра.
Но и это, пожалуй, далеко не самое важное в полученном результате. Дело в том, что черные дыры, по сути, ключевые действующие лица в окружающей нас Вселенной. Если взглянуть на почти все известные галактики, в центре каждой из них лежит сверхмассивная черная дыра (и в нашем Млечном Пути — тоже). И они там вовсе не для красоты: тяготение таких сверхмассивных объектов «собирает» вокруг себя ядро каждой галактики и в конечном счете саму галактику. Без черной дыры в центре материя не могла бы быстро собраться в достаточно плотные структуры. А значит, и образование звезд, и эволюция планетных систем шли бы куда медленнее.
Из этого легко понять, зачем нужно изучать черные дыры: чтобы понимать, как работает Вселенная вокруг нас, надо знать, как работает главный «сборочный механизм» в ее галактике.
Приведем простой пример. Черную дыру в центре галактики М87 удалось снять с высоким качеством потому, что эта дыра очень активно «глотает» вещество и перед приемом «пищи» сильно ее нагревает (трением частиц поглощаемого вещества друг о друга). Бублик этой материи от нагрева дает жесткое рентгеновское излучение, а вверх и вниз от черной дыры бьют струи горячей плазмы, разогнанной до десятков и сотен тысяч километров в секунду. Если бы эта иллюминация состоялась в нашей Галактике, то спецэффекты от нашей сверхмассивной черной дыры было бы видно на Земле и днем и ночью.
Согласно ряду научных работ, два-три миллиона лет назад все так и было. И тогда наша планета могла получать солидное количество жесткого излучения из центра Галактики, где лежит «местная» галактическая черная дыра Стрелец А*. Что будет, если Стрелец А* перейдет от своего нынешнего «голодного» существования к активному пожиранию материи, как в Галактике М87? Не будет ли это угрожать земной жизни? Можно ли предсказать такое событие заранее и насколько оно опасно? Все это — вопросы, ответы на которые хорошо бы знать заранее, а не тогда, когда будет уже слишком поздно.