1.    
  2.    
  3.     Як сфотографувати чорну діру?

Як сфотографувати чорну діру?

08.08.2018

Вчені вважають, що в центрі нашої Галактики знаходиться надмасивна чорна діра, але поки астрофізики не знають цього напевно. Розвіяти сумніви повинен міжконтинентальний віртуальний Телескоп горизонту подій — The Event Horizon Telescope (EHT).

Ми живемо на планеті Земля, і нам важко уявити розміри Галактики або навіть Сонячної системи. Політ у космос, на орбіту МКС, — це 400 км вгору, а на Місяць — 400 тис. км, в 1000 разів далі. Світло від Сонця проходить 150 млн км, перш ніж потрапити в атмосферу нашої планети. Автоматичні міжпланетні станції, які борознять простори Сонячної системи і навіть вийшли за її межі (за даними НАСА — «Вояджер-1»), відлетіли від нас на 10 млрд км, в 100 раз далі, ніж від Землі до Сонця. Якщо за 1 см на метрової лінійці прийняти відстань від Землі до Сонця, то до Вояджера буде 1 метр.

Передбачуваний розмір Сонячної системи (з хмарою комет Оорта) — від 1 до 3 світлових років, тобто світло з одного краю до іншого летить більше року.

А щоб дістатися до центру Чумацького Шляху, нам доведеться покрити дистанцію в 26 тис. світлових років! Якщо взяти всю Сонячну систему за 1 мм, то ця відстань вміститься на 10-метровій стрічці.

Щоб оцінити розміри Галактики (а Сонце знаходиться на периферії), досить зробити один оборот навколо її центру, який займе 230 млн років! Якщо б ми почали вважати ті далекі часи, коли нашу планету ще населяли динозаври, то зараз ми якраз завершили перший виток. Непогане подорож. З моменту утворення Землі Сонячна система зробила приблизно 20 обертів навколо центру Галактики зі середньою швидкістю близько 850 тис. км/ч. Природно, це приблизне значення, отримане на основі спостережень і розрахунків.

Швидкості зірок на периферії Галактики і близько до її центру практично не різняться — ймовірно, з-за того, що, крім звичайної матерії, простір заповнений також темною речовиною (поки це гіпотеза), яке і «розганяє» тіла на околицях нашої «острівний всесвіту».

Фото Чумацький Шлях — як він виглядав би ззовні

Чумацький Шлях — як він виглядав би ззовні

Правда, в самому центрі Чумацького Шляху зірки вже рухаються в 2, 3 і навіть у 20 разів швидше Сонця. Відбувається це тому, що тут, за припущеннями вчених, знаходиться сверхмассивный компактний об’єкт — можливо, чорна діра (ЧД), яка володіє величезною масою і змушує найближчі до неї тіла летіти навколо неї з величезними швидкостями, щоб вони могли залишатися на своїх орбітах. Приблизно як якщо б ви тримали когось за руки і розкручувалися, тільки замість хватки — величезна сила тяжіння.

Слово «сверхмассивный» означає, що цей об’єкт у сотні тисяч, мільйони і навіть мільярди разів важче Сонця або звичайних так званих чорних дір зоряної маси (для зручності введемо скорочення ЧДЗМ), порівнянних за «вагою» з будь-яким світилом в Галактиці. А ще астрономи люблять вважати маси інших об’єктів у Всесвіті в масах Сонця.

Перед тим як говорити про надмасивних чорних дірах (СМЧД), варто розібратися, що ж таке чорна діра взагалі, чому саме цей об’єкт може знаходитися в центрі Чумацького Шляху, а не який-небудь інший.

Будь-яке тіло у Всесвіті володіє фундаментальною характеристикою масою. Далі йде радіус об’єкта, або його розмір. Маса будь-якої зірки навряд чи перевищує 300 мас Сонця (R136a1 є «найважчою» із знайдених на сьогоднішній день — приблизно 315 мас Сонця), а от її радіус може бути яким завгодно — від десятків (у білих карликів і нейтронних зірок) до мільярдів кілометрів (UY Щита має діаметр 2,4 млрд км, а «важить» всього близько 10 мас Сонця).

Порівняння розмірів Сонця (1 піксель) і зірки UY Щита.

Порівняння розмірів Сонця (1 піксель) і зірки UY Щита.

Найбільші за розміром зірки мають надмалої щільністю, тому і маса у них відносно невелика. Згадана UY Щита перевершує за обсягом Сонце в 5 млрд разів, а значить, середня щільність її речовини в мільйони разів менше.

З чорними дірами справа йде інакше. До прикладу, якщо перетворити Сонце в одну з них, то за колишньої масі її розмір буде всього лише 3 км, а Земля і зовсім «скукожится» до 1 див.

Природно, ні наше світило, ні — тим більше — планета, на якій ми живемо, ніколи чорними дірами не стануть: їм недостатньо маси, щоб під дією гравітації так сильно ущільнитися. Подібна доля чекає тільки важкі зірки (від 15 мас Сонця) в кінці їх еволюції після вичерпання матеріалу для термоядерних реакцій, коли внутрішній тиск вже не зможе утримувати зовнішні шари і вони почнуть падати до центру. В іншому випадку центр перетвориться в нейтронну зірку, а зовнішні шари будуть викинуті — відбудеться спалах наднової. Все залежить тільки від первісної маси об’єкта.

Як виникають ЧДЗМ, більш-менш зрозуміло. А ось процес формування надмасивних чорних дір, на жаль, вчені поки ще уявляють собі досить смутно. Існують дві основні гіпотези: 1) поступове нарощування маси в результаті падіння речовини на ЧДЗМ; 2) колапс великих газових хмар і їх перетворення в зірку масою в кілька сотень тисяч мас Сонця або більше.

Тобто в центрі Галактики за спостереженнями вчених, повинен бути компактний об’єкт розміром у кілька мільйонів кілометрів (не менше 12 млн, але до 6 млрд) і масою в кілька мільйонів мас Сонця — тобто як UY Щита, але в 500 тис. разів важче. Це не може бути зірка, інакше вона просто перетворилася б в чорну діру (що і відбувається з тілами в 15-20 мас Сонця — а тут кілька мільйонів!).

За фантастичним фільмам та науково-популярній літературі ми знаємо, що до чорних дірок краще не наближатися: у них є якийсь горизонт подій — подолавши цю межу, ви вже не зможете повернутися назад… Так і на підльоті вас розірве на атоми приливними силами, а ще раніше — уб’є смертоносним рентгенівським випромінюванням від газу, який обертається навколо чорної діри. Що і говорити, перспектива жити близько такого космічного монстра не дуже райдужна.

Найпростіше представити горизонт подій як точку неповернення для літака — лінію, пролетівши яку він вже не зможе повернутися на аеродром, так як йому не вистачить палива. Або як наш земний горизонт: коли корабель пливе за нього, ми перестаємо бачити судно.

Корабель пливе за обрій — ми перестаємо його бачити, отримувати відбите від неї світло, інформацію.

 

Корабель пливе за обрій — ми перестаємо його бачити, отримувати відбите від неї світло, інформацію.

Горизонт подій — точка неповернення.

Горизонт подій — точка неповернення. 

Це уявна риса: земний горизонт не має поверхні, точно так само як чорна діра і деякі інші тіла. Навіть Сонце «кипить», і у нього немає чіткої межі. Природно, це лише аналогія, насправді ми можемо окреслити певний обсяг і сказати, що ось тут воно є, а тут його вже немає.

Що стосується чорної діри, то «зіткнутися» з її поверхнею, як з Землею, Місяцем або навіть з «киплячим» Сонцем, у нас не вийде — ми просто будемо падати до самої сингулярності (центру) все швидше і швидше.

Світло, що потрапляє в ЧД, не може відбитися від поверхні, оскільки її просто немає. Якщо фотони летять по траєкторії, яка проходить через горизонт подій, ми вже не побачимо їх ніколи і для нас в цьому місці нічого не буде — одна чорнота. Уявіть собі коробку, зсередини вкритий чорним оксамитом, із здійсненим в ній отвором. Воно не має поверхні, але промінь світла, що потрапляє в нього, вже не повернеться до нас назад. І ми бачимо чорний кружок — або, якщо говорити про космос, чорну діру.

Хоча світло і не має маси спокою, він володіє енергією, з якою в рамках Загальної теорії відносності (ЗТВ) взаємодіє гравітація, а отже, фотони теж будуть притягатися до ЧД. Її маса викривляє простір-час. Промінь світла, рухаючись по ньому, потрапляє у її владу. Він може спрямуватися прямо в центр дірки крізь горизонт подій і «канути» там, стати недоступним для наших поглядів. Якщо ж фотони минули цей зловісний об’єкт, їх траєкторію все одно змінить його гравітація. Тоді ми побачимо спотворений фон і щось темне в центрі — це і буде чорна діра.

Такий ефект називається «гравітаційним лінзуванням». Викривлене за рахунок маси об’єкта простір-час виступає в якості лінзи — змінює напрямок фотонів. Якщо ЧД буде проходити на тлі яскравої зірки, світло від неї спотвориться і ми зможемо по цій картині визначити масу об’єкта-лінзи і побічно довести існування самої чорної діри.

Ефект гравітаційного лінзування.

Ефект гравітаційного лінзування.

У 2016 році вчені отримали підтвердження існування ЧДЗМ. Це практично пряме спостереження таких об’єктів, правда не в оптиці, а за допомогою реєстрації хвиль простору-часу гравітаційно-хвильовими обсерваторіями.

Крім двох уже названих типів, вчені виділяють також чорні діри середньої маси (їх назва говорить сама за себе), які, можливо, знаходяться в центрі кульових зоряних скупчень, а також первинні ЧД, імовірно виникли при зародження Всесвіту після Великого вибуху. Але поки ніяких серйозних спостережних даних по цим двом типам немає і вони є лише гіпотетичними.

Відомий популяризатор науки астрофізик С. Б. Попов зазначає, що існує два підходи до цього поняття, а тому виникає певний дуалізм: «Для фізика чорна діра — це об’єкт, що володіє певними внутрішніми властивостями. Самим головним і цікавим є наявність горизонту.

Чорна діра — це не зовсім предмет, це якась область простору, у якій є межа, але немає поверхні. Для астрофізика чорна діра — це об’єкт, який проявляє себе як чорна діра.

З точки зору астрофізики ми насправді не знаємо, чорні діри, і „чернодырность“ тих об’єктів, які ми спостерігаємо, просто сама консервативна гіпотеза. Для астрофізика чорна діра — об’єкт, що володіє певними спостережуваними проявами. Це компактний об’єкт, його розмір повинен бути порядку спостережуваного розміру горизонту, ніяких ознак поверхні не повинно виявлятися».

Маси об'єктів (білих карликів, нейтронних зірок, чорних дір) у Всесвіті

Маси об’єктів (білих карликів, нейтронних зірок, чорних дір) у Всесвіті по відношенню до маси нашого Сонця. Як видно на малюнку, СМЧД (Supermassive Black Hole) починаються від сотень тисяч мас Сонця, а ЧДЗМ (Stellar Black Hole) знаходяться у районі 6-100, тобто вони набагато менше. Чорні діри середньої маси (Intermediate) займають інтервал у межах сотень — сотень тисяч мас Сонця.

Що ж стосується об’єкту в центрі Чумацького Шляху, то все вказує на існування там надмасивної чорної діри. Навряд чи тут збилися в купу нейтронні зірки або ЧДЗМ (які важче Сонця всього лише в кілька разів). Навіть якби так і було, згодом вони все одно злилися б в одну СМЧД.

Природно, вчені перевірили цю гіпотезу — і відразу ж відкинули її. Траєкторії зірок, орбіти яких оперізують зазначену область, виявилися гладкими, якими вони бувають, якщо один об’єкт обертається навколо іншого, сферично симетричного, що знаходиться в центрі в єдиному екземплярі, але не навколо кількох чорних дір.

Якби тут було багато масивних тіл, траєкторії зірок представляла б собою хитромудрі лінії, з зигзагами, що виникли внаслідок притягання кожної з дірок.

 

Повна орбіта зірки S2, здійснює оборот навколо центру Чумацького Шляху (Sgr A*) за 15,2 року

Поки все, що було сказано вище, важко повірити. Величезний масивний об’єкт знаходиться в центрі нашої Галактики — і ми до цих пір толком нічого про нього не знаємо?! Але нам відома його маса: вона становить, за різними оцінками наукових груп, 4-4,3 млн мас Сонця. Закони Кеплера і Ньютона дозволили обчислити її після того, як були виміряні швидкості зірок, які рухаються навколо цього об’єкта по своїх орбітах, приблизно як планети навколо Сонця, тільки в різних площинах.

Рух зірок навколо масивного тіла (приблизно СМЧД) в центрі Чумацького Шляху.

За останніми оцінками астрономів (спостереження 2013 року), кутовий діаметр об’єкта вийшов рівним 30 μas (микросекундам дуги). 1 хвилина дуги (1 кутова хвилина) — це максимальна роздільна здатність нашого ока, 60 секунд, а 1 мікросекунда складає 1/1000000 секунди — дуже мала величина. Або близько 40 млн км (трохи менше, ніж від Меркурія до Сонця) з відстані 26 тисяч світлових років.

Ці дані неточні, за різними підрахунками, розмір чорної діри може бути дорівнює її основі гравітаційного радіусу (12 млн км) — або досягати 45 а. е. (1 астрономічна одиниця — відстань від Землі до Сонця, близько 150 млн км).

Побачити сам об’єкт не можна ні в одному з діапазонів, ні радіо, ні в оптиці, причому в останньому випадку проблематично розглянути навіть околиці СМЧД: в центрі Чумацького Шляху багато пилу, вона блокує видиме світло. Інфрачервоне випромінювання (ІЧ) може проникати крізь «туман» цих частинок, так як довжина хвилі ІЧ приблизно дорівнює їх розмірами, але найкраще для таких задач підходять радіохвилі: космічна пил практично не поглинає їх.

Отримані за останні 16 років фактичні зображення зірок, зібрані в одному відео.

Отримані за останні 16 років фактичні зображення зірок, зібрані в одному відео. Їх реальний рух прискорено в 32 млн разів (інакше ми б дивилися цю діфку 15 років). Окремі зображення зрушені, розтягнуті до однакового масштабу і орієнтації і покривають центральну частину кольоровий анімованої ілюстрації, представленої вище.

Верхня межа розміру був встановлений як раз на підставі спостережень центру Чумацького Шляху через великі радіотелескопи, об’єднані в так званий радіоінтерферометр з сверхдлинной базою (РСДБ). Єдиний об’єкт, який може бути таким масивним і мати радіус близько 1 а. тобто, — це чорна діра.

Об’єкт Sgr A* — СМЧД. Радіовипромінювання (показано блакитним) виходить не з центру, а з області, що знаходиться поблизу горизонту подій, від газу, який ось-ось впаде на чорну діру

Як і багато на небі, зазначений джерело радіовипромінювання в центрі Галактики, найпотужніший в сузір’ї Стрільця (воно південне, тому його майже не видно з Росії), має свою назву — Стрілець A (Sagittarius A, скор. Sgr A). А компактний об’єкт позначили терміном Стрілець А* (читається як «Стрілець А з зірочкою»): коли його вперше помітили (13 і 15 лютого 1974 року), що виходив від нього випромінювання в радіодіапазоні було настільки сильним, що автори дали йому назву за аналогією з збудженим станом атомів, що також позначається зірочкою. А ще цей символ вказує на те, що об’єкт навіть для самих великих телескопів видно як компактний джерело радіовипромінювання.

Це випромінювання міліметрового частоти може проникати крізь товщу пилу на шляху до Землі. Для таких радіохвиль немає перешкод при русі через всю Галактику. Але наша тонка атмосфера містить водяну пару, блокує їх і змушує вчених розташовувати радіотелескопи в найбільш посушливих місцях планети з низькою вологістю, де практично відсутні опади.

Для впевненого спостереження настільки далекого об’єкта, розташованого в 26 тис. світлових років від нас, знадобиться телескоп з діаметром тарілки 10 000 км.

Побудувати його дуже важко: у самої Землі діаметр всього 12 700 км. Тому вчені придумали спосіб компонувати отримані дані з різних приладів в єдину картину, таку ж, яку отримав би радіотелескоп, якщо б його тарілка була розміром з нашу планету. Проект отримав назву The Event Horizon Telescope — міжконтинентальний віртуальний Телескоп горизонту подій.

Об’єднавши кілька міліметрових радіотелескопів в «мережу», учені отримали величезний радіоінтерферометр. Такий спосіб отримання високого дозволу на малих радиотелескопах називається методом апертурного синтезу: якщо взяти дві антени, розташовані на відстані D (база) один від одного, то сигнал від джерела до однієї з них буде приходити трохи раніше, ніж до другої. Якщо сигнали проинтерферировать (окремо зібрати інформацію з кожного телескопа, а потім її об’єднати, імітуючи інтерференцію на комп’ютері, тобто збільшення і зменшення амплітуди при накладення хвиль один на одного), то ми отримаємо результуючий сигнал. А потім з допомогою спеціальної математичної процедури — редукції — отримаємо інформацію про джерело з ефективним дозволом λ / D, де λ — довжина хвилі. Тобто ми обмежені вже не габаритами тарілок приладів, а відстанню між ними. А значить, можна створити віртуальний телескоп розміром з Землю!

Принцип дії радиоинтерферометра: два телескопа на відстані D один від одного

Принцип дії радиоинтерферометра: два телескопа на відстані D один від одного

Більшість радиоинтерферометров використовує обертання Землі для збільшення числа орієнтацій бази (відстані між телескопами A і B), включених до спостереження. На малюнку нижче наша планета зображена у вигляді сірої сфери, а база (відрізок AB) з часом змінює кут. Ця картинка буде спостерігатися, якщо дивитися на обертову Землю з центру Галактики.

Схема апертурного синтезу.

Схема апертурного синтезу.

Така схема використовується і в Телескопі горизонту подій, тільки приладів вже не два, а відразу декілька.

Всі отримані лінії вимірювань накладаються один на одного і «зливаються» в єдину картину.

Схема розташування різних телескопів на поверхні Землі

Схема розташування різних телескопів на поверхні Землі та їх вимірювання (сині лінії), які через обертання планети «розмазуються» в просторі, і в результаті виходить більш інформативна картинка (природно, в радіохвилях!).

Щоб зрозуміти, наскільки зросла роздільна здатність після об’єднання цих телескопів в мережу, уявіть, що у нас з’явилася можливість розгледіти апельсин на Місяці або стрілку на наручних годинниках на відстані 12 000 км (зрозуміло, якщо б вони випромінювали в радіо).

Для спільного спостереження за центром Галактики одночасно використовувалися відразу кілька радіотелескопів в різних місцях планети. Це дозволило створити величезну тарілку розміром із земну кулю завдяки синтезу апертурному

Щоб об’єднати два телескопа в інтерферометр, не обов’язково тягнути кабель або налагоджувати радіозв’язок між ними. Важливо записати приходять дані на жорсткі диски, а вже потім провести їх подальшу обробку. Так і зробили в цьому випадку.

На жаль, через нельотну погоду виникли невеликі труднощі з доставкою вінчестерів з Антарктиди. Поки не будуть зібрані дані з усіх телескопів (а їх величезна кількість — тисячі жорстких дисків, і передати всю цю інформацію з інтернету просто неможливо), єдину і повну картину сформувати не вийде.

Якщо говорити про російські розробки в цій області, то в першу чергу необхідно згадати радіоінтерферометр «Радіоастрон»: дані записуються на космічному телескопі і потім передаються по радіо на Землю, де їх об’єднують на спеціальному корреляторе — суперкомп’ютері для апертурного синтезу. На жаль, «Радіоастрон» не зміг взяти участь у спостереженнях, так як довжини хвиль, на яких він працює, в 10 разів більше, ніж необхідно, щоб «пробитися» крізь пил в центрі Галактики.

Жорсткі диски з даними спостережень за центром Галактики.

Жорсткі диски з даними спостережень за центром Галактики. 

Зараз спостережні дані зібрані в одному місці і вже обробляються, так що досить скоро ми побачимо перший синтезоване зображення тіні (силуету) чорної діри, того, що знаходиться безпосередньо біля горизонту подій, — але не її саму, бо вона випромінює недостатньо, щоб ми могли її помітити (якщо не враховувати гіпотезу про випромінювання Хокінга).

Максимум, що ми зможемо розглянути, — це речовина навколо темної структури, нагадує диск, матерію, яка згодом піде за обрій подій, а точніше — випромінювання від неї.

Тінь чорної діри вийде не повністю темною, тому що деяка кількість речовини знаходиться між нею і спостерігачем. Одна частина буде яскравіше інший з-за ефекту Доплера: матерія обертається навколо ЧД, ліва половина летить до нас, права — від нас.

Що ми швидше за все побачимо на фотографіях» чорної діри цього літа

Що ми швидше за все побачимо на фотографіях» чорної діри цього літа

Але що, якщо ми побачимо щось ще? Керівник команди Шеперд Дуэлеман з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики розповів BBC в одному зі своїх інтерв’ю: «Сперечатися з Ейнштейном — марна затія, але ми можемо побачити щось, що не відповідає нашим очікуванням, і тоді нам доведеться переглянути теорію гравітації».

«Навіть якщо перші зображення будуть поганенькими і розмитими, ми вперше зможемо перевірити ряд основних прогнозів теорії відносності Ейнштейна на прикладі екстремальних умов в чорних дірах», — передає слова радіоастронома Хайно Фальке з Університету Неймегена National Geographic.

Предмет:
Тип документу: Інше
, , , ,

Написати коментар