10 апреля 2019 года международная коллаборация Телескопа горизонта событий (EHT) представила первое в истории изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики M87. В данном видео автор канала Veritasium подробно разбирает, как ученым удалось зафиксировать этот невероятно далекий объект и почему полученный снимок стал важнейшим подтверждением общей теории относительности. Проект объединил усилия более 200 исследователей по всему миру, совершивших настоящий технологический прорыв ради разгадки тайн Вселенной.
🌌 Первый снимок и природа «светящегося кольца» 0:02
Опубликованный исторический снимок запечатлел потоки плазмы, вращающиеся вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики M87. Яркая область на изображении показывает, где плазма движется по направлению к земному наблюдателю.
Поскольку вещество мчится со скоростью, близкой к скорости света, этот участок кажется значительно ярче. Противоположная сторона, где плазма уходит вглубь, выглядит более тусклой. В физике этот оптический эффект называют релятивистским излучением (relativistic beaming).
На основе полученных визуальных данных ученые смогли точно определить, что плазменный диск вращается по часовой стрелке. При этом материи требуется около двух дней, чтобы совершить один полный оборот вокруг центра массы.
Наблюдения за объектом велись с помощью электромагнитных волн с длиной волны 1,3 миллиметра, что относится к радиодиапазону. Эта часть спектра была выбрана неслучайно. Подобные волны позволяют детально рассмотреть структуры, расположенные вплотную к горизонту событий. Кроме того, радиоизлучение способно беспрепятственно проходить сквозь плотный аккреционный диск и скопления межзвездной пыли, достигая наших земных приборов.
🚀 Релятивистские струи и искривление пространства 0:55
Сверхмассивная чёрная дыра в галактике M87 демонстрирует чрезвычайную активность. Она непрерывно поглощает колоссальные объёмы материи из окружающего её раскаленного аккреционного диска.
Помимо диска, у этого космического гиганта есть узкие направленные струи плазмы — джеты, бьющие выше и ниже плоскости вращения. По мнению исследователей, эти структуры формируются под воздействием невероятно мощных магнитных полей. Джеты простираются в космическое пространство как минимум на 5000 световых лет, и один из них направлен практически прямо в нашу сторону.
Из-за эффекта релятивистского излучения на снимках космического телескопа «Хаббл» отчетливо виден именно тот джет, который направлен к Земле, тогда как противоположная струя остается невидимой. Направление этого потока указывает на то, что мы смотрим на аккреционный диск почти перпендикулярно.
Сильнейшее искривление пространства-времени вокруг чёрной дыры приводит к удивительному гравитационному эффекту. Мы можем видеть свет даже от тех частей аккреционного диска, которые физически находятся позади самого объекта. Этот свет линзируется, огибая чёрную дыру сверху и снизу от области тени. Как признается ведущий, этот процесс выглядит настолько невероятно, что на него можно смотреть бесконечно.
🔍 Почему снимок получился размытым? 2:02
Главный вопрос, который возник у аудитории после публикации: почему историческое изображение кажется таким размытым?. Ответ кроется в том, что с нашей точки зрения этот объект имеет экстремально малый угловой размер.
Сама по себе чёрная дыра колоссальна. Согласно расчетам астрономов, её масса превышает массу нашего Солнца в 6,5 миллиарда раз. Фактический размер тени этого объекта сопоставим с масштабами всей Солнечной системы.
Однако из-за гигантского расстояния в 53,5 миллиона световых лет видимый размер объекта на небе составляет всего около 40 микросекунд дуги. Чтобы понять, насколько это ничтожная величина, ведущий предлагает провести мысленный эксперимент:
- Разделите весь видимый небосвод на 180 градусов.
- Разделите один градус на 60 угловых минут.
- Разделите одну угловую минуту на 60 угловых секунд.
- Разделите полученную угловую секунду последовательно на 100, затем еще раз на 100 и снова на 100.
Полученная в итоге микроскопическая доля и будет соответствовать угловому размеру тени чёрной дыры. Столь малые масштабы выводят ученых на самый край текущих технологических возможностей человечества.
🌍 Телескоп размером с Землю и закон дифракции 3:10
Базовые законы физики, а именно дифракционный предел, накладывают жесткие ограничения на разрешение любых оптических систем. Чтобы детально рассмотреть объект с угловым размером 40 микросекунд дуги, астрономам потребовался бы радиотелескоп величиной с планету Земля.
Поскольку построить цельную зеркальную антенну такого размера физически невозможно, ученые применили метод интерферометрии. Они объединили восемь существующих радиотелескопов, разбросанных по всему земному шару, в единую синхронизированную сеть.
Все эти обсерватории одновременно направили свои антенны на галактику M87. По мере того как Земля вращалась вокруг своей оси, движение планеты помогало заполнять пустые пространства между телескопами, виртуально достраивая гигантскую линзу размером с Землю.
🛰️ Sagittarius A* и триумф теории Эйнштейна 3:50
Объект в галактике M87 был не единственной целью международной команды. Астрономы также вели наблюдение за сверхмассивной чёрной дырой Sagittarius A (Стрелец А), расположенной в самом центре нашей Галактики.
На момент создания видео её снимок еще не был представлен общественности, однако существующие компьютерные симуляции позволяют понять её специфику. Наша родная чёрная дыра находится гораздо ближе — на расстоянии около 26 тысяч световых лет, но она значительно меньше объекта в M87. Её масса составляет всего 4 миллиона масс Солнца.
Кроме того, Sagittarius A* менее активна и поглощает вещество лишь периодически. Потоки материи вокруг неё совершают полный оборот всего за 4–30 минут, что создает колоссальную изменчивость внешнего вида объекта во времени. По мнению автора канала, именно эта стремительная динамика стала причиной того, что обработка данных и публикация снимка нашей чёрной дыры потребовали гораздо больше времени.
Тем не менее, полученное детальное изображение чёрной дыры в M87 окончательно и безоговорочно подтверждает сам факт существования этих экстремальных объектов. Общая теория относительности, опубликованная Альбертом Эйнштейном более века назад, получила очередное блестящее подтверждение в условиях самой сильной гравитации. Автор видео выражает искреннее восхищение самоотверженной работой команды из 200 ученых, которые совершили невозможное ради этого открытия.
