USD/RUB 64.52
EUR/RUB 71.99
EUR/USD 1.1158
18.04.2019, четверг, 18:45
 

Spektrum: космический монстр показывает зубы

Сверхмассивная черная дыра, иллюстрация художника НАСА
Вероятно, если смотреть на Землю из находящейся в сердце Млечного пути черной дыры, то глобус будет напоминать огромный дискотечный шар. По всей Земле люди расставили сверкающие параболические антенны и направили их в апрельское небо 2017 года. Огромные приборы стояли в напоминающей марсианские ландшафты пустыне в чилийских Андах, на вершине одного из потухших мексиканских вулканов, поверх горнолыжной трассы в испанской Сьерра-Неваде, на заросшем зеленью горном перевале в Аризоне, на горе Мауна-Кеа на Гавайях и на Южном полюсе.
Все тарелки этих телескопов вышиной с дом были направлены на крошечное пятнышко в созвездии Стрельца. Астрономы уже давно предполагали, что там, в центре нашей галактики, на удалении в 26 тысяч световых лет, находится черная дыра под названием Стрелец А*. По оценкам ученых она в 4,3 миллиона раз тяжелее нашего Солнца. Вокруг этого места вращаются спиралевидные «рукава» Млечного пути. Десятилетиями оно оставалось тайной: люди еще никогда не видели ни одной черной дыры напрямую, до сих пор они могли лишь по косвенным признакам предполагать существование этих удивительных объектов.
Лицом к лицу с черной дырой
Часами параболические антенны держали под наблюдением этот регион в центре галактики. До этого они уже обследовали центр другой, еще более удаленной галактики под названием М87. Предполагается, что там скрывается еще более огромная черная дыра.
Пять дней велось наблюдение с помощью комплекса телескопов, так называемого «Телескопа горизонта событий» (англ. Event Horizon Telescope, ЕНТ). Более 3 000 терабайтов информации записали за этого время радиотарелки — этого было слишком много для передачи данных по Интернету. Поэтому ученые 11 апреля 2017 года упаковали около 1 000 жестких дисков в коробки и отправили их самолетами в Бостон и Бонн для анализа.
И вот спустя два года наконец-то получен результат: на более чем шести пресс-конференциях международная команда исследователей, состоящая из почти 200 ученых, представила фотографию, сделанную ЕНТ. На ней видно лишь размытое красное кольцо на темном фоне. Но ученые уверены: это изображение черной дыры в центре далекой галактики М87 или, если выражаться точнее, очертаний черной дыры.
Для многих ученых это фотография, которую следует поставить в один ряд с всемирно известной «Бледно-голубой точкой» (англ. Pale Blue Dot) 1990 года, сделанной с космического спутника «Вояджер 1». На ней Земля предстает крошечной голубой точкой в просторах Вселенной. Кажется, что снимок говорит нам, посмотрите, насколько хрупка наша Родина.
Снимок, сделанный «Телескопом горизонта событий», несет не менее важное послание. Но вместо оазиса жизни он показывает место максимального уничтожения всего и вся. Оно в определенном смысле — полнейшая противоположность стабильной биосферы, которую мы на Земле воспринимаем как нечто само собой разумеющееся.
В пользу этого, во всяком случае, говорит все, что ученые знают о черных дырах. Вес экземпляра в центре М87 составляет невообразимые 13 000 триллионов триллионов триллионов килограммов, то есть столько же, сколько весят шесть с половиной миллиардов Солнц. Гравитация огромной силы втягивает всю материю вблизи дыры в кипящее, бешено вращающееся кольцо из спекшейся субстанции. Вероятно, исходящее от кольца излучение превратило весь прилегающий регион в некое подобие ада.
Как апельсин на Луне
Насколько трудно было сфотографировать это чудовище, ученые, участвовавшие в проекте, рассказали во время пресс-конференции в Брюсселе. На ночном небе тень, которую отбрасывает центральная черная дыра М87, имеет протяженность всего 42-миллионую часть угловой секунды. Поэтому задачу можно сравнить с попыткой сфотографировать апельсин на поверхности Луны.
Сделать подобное наблюдение стало возможным, лишь создав комплекс из восьми радиотелескопов, расположенных в разных точках земного шара. Все вместе они составили «виртуальный» телескоп величиной с Землю. «Работая командой, мы достигли намного большего, чем если бы попытались сделать то же самое поодиночке», — сказал на пресс-конференции один из участников проекта ЕНТ Антон Цензус (Anton Zensus) из Института радиоастрономии Общества Макса Планка.
Но в некотором отношении представленные учеными результаты не полностью соответствовали их ожиданиям: первоначально ученые хотели сфотографировать не только черную дыру в центре галактики М87, удаленной от Земли на 50 миллионов световых лет, но прежде всего подобную дыру в сердце Млечного пути. Достаточно ли будет для этого данных, собранных в ходе исследований 2017 года, пока не ясно. Как заявили ученые в Брюсселе, пока они сконцентрировали внимание на М87. Анализ данных о Стрельце А* продолжается.
А Хокинг ведь всего чуть чуть не дожил..#blackhole pic.twitter.com/AuQ0XPkvo2
— Ded Inside (@Elisabet_Olsen6) 11 апреля 2019 г.
Проект ЕНТ мог в равной степени завершиться как успехом, так и неудачей. С самого начала работу радиоастрономов можно было сравнить с первым восхождением на Эверест. Уже давно черные дыры находились в центре внимания ученых, и поэтому десятилетиями их влекла перспектива сфотографировать одну из них.
Как любое восхождение на горную вершину, проект несколько раз был близок к провалу. Но, в конце концов, он только потому увенчался успехом, что ученые с сильными характерами, несмотря на возникавшее подчас взаимное раздражение, продолжали трудиться вместе. И потому что астрофизики из Европы, Америки и Азии в нашу эпоху политической турбулентности продолжали работать в одном направлении.
Загадочные радиоволны
Начало этой истории положило открытие, сделанное вскоре после Второй мировой войны. Тогда бывшие военные радисты направили свои радарные антенны в космос и сделали неожиданное открытие. Из некоторых регионов неба к Земле приходили очень слабые, но явно различимые радиосигналы.
С физической точки зрения радиоволны похожи на видимый свет, но в принципе они представляют собой нечто иное. Интервалы между соседними световыми волнами составляют от 0,4 до 0,7 миллионной части метра. У радиоволн этот интервал намного больше, он может составлять от нескольких миллиметров до десятков метров. В зависимости от длины волны изменяется и то, как излучение взаимодействует с материей: в то время как стена дома задерживает видимый свет, радиоизлучение беспрепятственно через нее проходит. В том числе и поэтому вид излучения стал основой современной радиотехники.
Лишь в 60-х годах удалось выяснить, откуда идут эти радиосигналы — из отдельных галактик, удаленных от Земли на миллиарды световых лет. Как с изумлением установили ученые, внутри них, судя по всему, происходит гигантский фейерверк, наполняющий вселенную излучением.
Вопрос был только в том, откуда эти «активные галактические ядра» берут необходимую энергию? Даже слияния атомных ядер, известного в то время по водородным бомбам, было бы для этого далеко недостаточно. После некоторых раздумий физики наткнулись на другую возможность: материю в свободном падении.
Как показали расчеты, объект, долгое время подвергаемый ускорению в гравитационном поле, обретает невероятную двигательную энергию. Если же этот объект вдруг резко затормозит, то эта энергия преобразуется в тепло или излучение. По чистой случайности ученые в середине 60-х годов как раз вели напряженные дискуссии о том, что могло бы придать материи необходимое ускорение.
Черные дыры считались в то время не более чем одним из курьезных аспектов общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Еще молодому физику Карлу Шварцшильду (Karl Schwarzschild) на полях сражений Первой мировой войны в 1915 году пришла в голову мысль, что некоторые решения полевых уравнений Эйнштейна дают на первый взгляд противоречивые результаты. Так, для экстремально плотных скоплений массы эти уравнения выдают радиус, начиная с которого, как кажется, гравитационное поле стремится к бесконечности — это все равно что разделить единицу на ноль. Такое невозможно — решили Эйнштейн, Шварцшильд и многие другие.
Судьба сгоревших звезд
Но в следующие десятилетия астрофизиков постоянно волновал вопрос, что происходит со звездами, внутри которых все атомные ядра соединились и превратились в более тяжелые элементы. В 30-е годы ответы на этот вопрос свелись к следующему: звезды форматом с наше Солнце сжимаются и превращаются в беловатые шары размером с планеты, их называют Белыми карликами. Огненные шары со значительно большей массой сжимаются до еще более компактных объектов величиной с крупный город, их называют нейтронными звездами.
Но что будет, если произойдет коллапс еще более тяжелой звезды? Роберт Оппенгеймер (Robert Oppenheimer), ставший впоследствии отцом американской атомной бомбы, незадолго до начала Второй мировой войны размышлял над этим. Согласно его расчетам ничто и никто не может предотвратить коллапс действительно массивной звезды — он будет продолжаться постоянно. Материя должна будет рано или поздно наткнуться на некую точку в центре — такой прогноз дал американский ученый.
Согласно теории относительности Эйнштейна, пространство-время можно растягивать как жевательную резинку. Большие массы растягивают пространственное время в длину. По мнению Оппенгеймера, в случае с огромными массами этот процесс имеет необычные последствия: сила притяжения тут настолько велика, что время практически останавливается, во всяком случае, с точки зрения стороннего наблюдателя. Ему будет казаться, что материя сжавшейся гигантской звезды вечно проваливается в точку в центре.
Иллюстрация пути звезды S2 мимо сверхмассивной черной дыры
Для окружения большой массы это имело бы экстремальные последствия: как только что-то пересечет вычисленный Шварцшильдом радиус, так называемый горизонт событий, назад уже дороги не будет, что бы ни произошло.
Долгое время большинство физиков считали все этого забавными рассуждениями, которые не имеют практического значения. Но после открытия активных галактических ядер в начале 60-х годов это отношение изменилось. Помимо прочих, динамичный американский физик Джон Арчибальд Уилер (John Archibald Wheeler) стал с того момента приверженцем идеи Оппенгеймера. Несколько лет спустя именно он введет в оборот понятие «черная дыра».
На одной из конференций в 1963 году один из коллег Уилера представил внятное краткое описание этих странных мест: это — само себя поддерживающее гравитационное поле, утратившее всякую связь с материалом, из которого оно происходит. На той же конференции новозеландец Рой Керр (Roy Kerr) представил еще одно решение полевых уравнений Эйнштейна. Они исходят их того, что черные дыры вращаются вокруг самих себя, как это и предполагали тогдашние физики.
Большие и малые черные дыры
Начиная с 70-х годов, астрофизики принялись обследовать Вселенную в поисках этих удивительных объектов. Они обнаружили все больше далеких галактик, в центре которых, как казалось, скрываются невидимые чудовища. Вскоре они открыли нечто в Млечном пути. У них создалось впечатление, что в отдаленном от Земли на 6 000 световых лет созвездии Лебедь X-1 некий объект весом в дюжину Солнц поглотил звезду, что привело к мощному выбросу рентгеновского излучения.
Открытия, подобные этому, подтверждают, что существуют скопления масс самых разных размеров. Коллапсы звезд с очень большой массой приводят к образованию «звездных» черных дыр, как например, Лебедь Х-1. По некоторым оценкам только в нашем Млечном пути есть миллионы таких объектов. Однако в большинстве случаев их окружение не дает излучения. (Даже предсказанное Стивеном Хокингом /Stephen Hawking «излучение Хокинга», якобы исходящее из самих черных дыр, слишком слабо, чтобы его смогли зафиксировать телескопы). Кроме того, темные скопления массы слишком малы, и поэтому на снимках, сделанных телескопами, их очертания различить нельзя.
В центрах галактик ситуация другая. Там подобные объекты обладают в миллионы и даже миллиарды раз большей массой — такие аргументы высказывали ученые в 70-х годах. Поэтому у этих объектов соответственно больший диаметр. А кипящая материя в их окружении, часть из которой все время попадает за горизонт событий, предположительно должна обладать мощным излучением.
Маленькая точка среди хаоса
Постепенно накопилось довольно много свидетельств того, что подобная «супермассивная» черная дыры дремлет и в сердце Млечного пути. Со временем ученые досконально изучили внутренние регионы нашей галактики. Они обнаружили там массу экзотических явлений: огромные дугообразные магнитные поля, по которым электроны взбираются вверх, как по винтовой лестнице. Облака горячего газа, проносящиеся на большой скорости. Голубые гигантские звезды, мчащиеся по Вселенной со скоростью в несколько тысяч километров в секунду.
Стрелец А* — лишь крошечная точка к этом хаосе. Его размер ученые оценили тогда в десяток миллионов километров — это почти в десять раз больше диаметра нашего Солнца. С расстояния в 26 тысяч световых лет эта черная дыра покажется в 10 тысяч раз меньшим объектом, чем те, которые способен различить космические телескоп «Хаббл». Как же тогда точно определить исходящее оттуда излучение и выделить его из огромного скопления других данных?
До середины 90-х годов большинство астрофизиков исходили из того, что мы никогда не сможем увидеть черную дыру. Но в это самое время молодой астрофизик Хайно Фальке (Heino Falcke) случайно натолкнулся на давно забытую научную статью. Фальке — харизматичный житель Рейнской области, принимающий в свободное время активное участие в жизни евангелистской общины своей родного города Фрехен. Для него нет противоречия между наукой и религией. По его мнению, физика описывает все то, что можно измерить. А во всем остальном есть достаточно места для веры.
Хорошо, что есть книги
Работая тогда над диссертацией, Фальке задался вопросом, как свет обходит черную дыру. Он стал рыться в библиотеке боннского Института радиоастрономии Общества Макса Планка в старом сборнике материалов научных конференций. Случайно на глаза Фальке попалась работа, до сих пор мало кем замеченная — статья американца Джеймса М.Бардина (James M. Bardeen) 1973 года.
В ней Бардин рассчитал, что будет, если какая-нибудь звезда пройдет за черной дырой. Бардин определил, что в этом случае наблюдатель все равно будет видеть звезду. Ведь свет может обогнуть этот массивный объект. Но такое огибание возможно лишь на определенной орбите: если же частица света будет лететь слишком близко от черной дыры, ее неминуемо притянет к траекториям, которые навсегда увлекут ее за горизонт событий.
На снимке, сделанном телескопом, этот край — физики называют его «последней фотонной орбитой» — должен четко выделяться. Относительно величины этой структуры Бардин пришел к неожиданному и многообещающему выводу: «тень» должна быть в диаметре в пять раз больше горизонта событий.
«Это был момент озарения», — вспоминает Фальке. Он быстро пришел к мысли, что рассуждения Бардина применимы и в том случае, если черная дыра окружена светящимся кольцом из горячей материи. А это значит, как определил Фальке после некоторых расчетов, что Стрелец А* достаточно велик, чтобы можно было наблюдать за ним через телескопы.
Выводы Бардина совпадали и с результатами измерений галактического центра, представленными коллегами Фальке Томасом Киршбаумом (Thomas Kirschbaum) и Антоном Цензусом в боннском Институте Макса Планка. По этим результатам еще нельзя было судить о деталях. Но можно было интерпретировать их так, что в середине Стрельца А* есть область, из которой не поступает излучение.
С 1995 года Фальке стал с уверенностью заявлять на научных конференциях, что сделать снимок тени Стрельца А* вполне возможно. Однако Фальке и его единомышленникам пришлось убеждать своих коллег. В 2000 году немецкий ученый вместе с двумя своими коллегами изложили в деталях, как успешно провести наблюдения.
Высокое разрешение при комплексном подходе
Инструмент для своих исследований астрофизики видели в методике под названием «радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами», сокращенно РСДБ. К тому времени это была хорошо зарекомендовавшая себя методика, которую использовала и боннская группа исследователей из института Макса Планка под руководством Киршбаума и Цензуса.
Используя РСДБ, астрономы наблюдают за одним и тем же объектом через несколько расположенных далеко друг от друга радиотелескопов. С помощью сверхточных атомных часов астрономы в каждой отдельной точке фиксируют момент, когда радиоволна достигает каждый телескоп. На основе этого точно зафиксированного времени ученые затем собирают результаты в суперкомпьютере.
Благодаря этому изображение обретает значительно более высокое разрешение. Теоретически комплекс телескопов РСДБ имитирует гигантский виртуальный телескоп. Его разрешающая способность соответствует таковой телескопа площадью, соответствующий площади между всеми связанными друг с другом отдельными телескопами.
Но в 2000 году стало ясно, что для наблюдения за черной дырой в центре галактики эта техника недостаточно хороша. В то время РСДБ полноценно работала только для излучения при длине волны в три и более миллиметра. А для съемки черной дыры было необходимо вести наблюдение при длине волны в один или в несколько десятых долей миллиметра — это установили Фальке и его коллеги. В этом диапазоне РСДБ работать еще не могла, несмотря на первые обнадеживающие тесты боннских радиоастрономов.
Субмиллиметровое излучение было единственным шансом астрономов. Волны других длин или перехватываются земной атмосферой, или вообще не могут пробиться через густые облака пыли и газа, собирающиеся между Землей и центром Млечного пути. Было еще и третье препятствие: вблизи галактического центра взорвавшаяся звезда оставила после себя турбулентный газовый пузырь, он искажал все снимки Стрельца А* подобно молочному стеклу.
Но субмиллиметровое излучение может проникнуть и через него без искажений. Проблема была в том, что в 2000 году было мало приборов, способных воспринять высокочастотные радиоволны. Поверхности параболических антенн должны быть для этого значительно более гладкими, чем у радиотелескопов для волн больших длин. Кроме того, приборы должны стоять на несколько километров выше уровня моря, потому водяной пар в атмосфере ослабляет сигналы.
Помог закон Мура
Возникла еще и проблема со скоростью передачи данных: тогдашние записывающие устройства могли фиксировать всего несколько сотен мегабайтов в секунду. А требовалось от 10- до 100 раз больше, считали ученые. Кроме того, большинство миллиметровых обсерваторий не были оборудованы обязательными для таких наблюдений атомными часами.
Для развития необходимой техники и модернизации телескопов требовались годы. Ученым помогла компьютерная революция: она сделала цифровые записывающие устройства более мощными и дешевыми. Тем не менее, дальнейшее развитие техники было сизифовым трудом.
В середине 2000-х годов помимо прочих заставила о себе говорить американская группа ученых под руководством Шепарда «Шепа» Доулмена (Shepard Doeleman) из Массачусетского технологического института. С большим энтузиазмом этот ученый трудился над техническими проблемами одномиллиметровой РСДБ. В результате он и его команда значительно продвинули цифровую регистрацию данных и широкополосную технику.
Также как и боннские астрономы группы Киршбаума и Цензуса из Института Макса Планка американцы постоянно пытались наблюдать за Стрельцом А* с помощью субмиллиметровой техники. Для этой цели в 2006 году группа Доулмена связала между собой телескопы в Аризоне, Калифорнии и на Гавайях и направила их на центр Млечного пути.
Первая попытка не удалась, но год спустя наблюдение увенчалось успехом: три телескопа перехватили 1,3-миллиметровое излучение — эта была длина волны, с которой затем будет работать ЕНТ. Качество снимка было еще слишком низким, что-то различить на нем было невозможно. Но с точки зрения многих астрофизиков эта генеральная репетиция удалась: «С этого момента стало ясно, что дело может получиться», — вспоминает Доулмен.
Личная размолвка
Хайно Фальке, к тому времени перешедший на работу в нидерландский университет Нимвегена, не участвовал в этой фазе напряженных наблюдений. Будучи физиком-теоретиком, он хотя и публиковал работы о Стрельце А*, но большую часть времени посвящал другим проектам.
В годы, прошедшие после публикации его работы 2000 года, определившей судьбу проекта, Фальке регулярно обменивался с Шепом Доулменом и другими учеными информацией о том, каким образом можно сделать ЕНТ. При этом Фальке и Доулмен время от времени яростно спорили друг с другом, и этот конфликт стал определяющим в истории проекта «Телескоп горизонта событий».
Фальке хотел создать профессионально организованную исследовательскую лабораторию по образцу Женевского центра ядерных исследований CERN, с ясно сформулированным планом проекта и четко определенными компетенциями. По его мнению, это было единственной разумной возможностью управлять большой группой исследователей, поставившей перед собой столь амбициозную задачу. А Доулмен хотел работать так, как это было принято у астрономов: небольшими, управляемыми одним руководителем командами, способными спонтанно реагировать на возникающие проблемы.
Доулмен уже давно решил посвятить свою научную карьеру ЕНТ. Об этом пишет американский научный журналист Сет Флетчер (Seth Fletcher) в своей опубликованной в 2018 году книге о ЕНТ. То, что Хайно Фальке тратил много времени на другие научные проекты и остался в стороне от совершенствования техники, американец считал оппортунизмом. «Я и моя команда пошли тогда на риск. Это необходимо, если хочешь добиться успеха в амбициозном проекте», — говорит сегодня Доулмен, оглядываясь назад.
Фальке же, по его собственным словам, не видел на этой фазе для себя никаких возможностей для участия в экспериментах. «У меня как ученого, временно работающего в зарубежном научном учреждении, не было денег, чтобы где-то построить телескоп», — говорит он. Кроме того, он занимался и другими проектами и набирался при этом опыта, например, с европейским телескопом LOFAR. «Но я и работу над ЕНТ не оставлял и в принципе всегда думал, что в конце концов мы сделаем это вместе»,
В 2010 году немецкого ученого постигло разочарование: в США Доулмен и его коллеги приложили все усилия для того, чтобы их исследование было упомянуто в «Decadal Review», важном стратегическом документе главных научных союзов США. В итоге сообщение о ЕНТ действительно там появилось. Хайно Фальке увидел в списке ученых, участвующих в проекте, имена многих своих европейских коллег, но своего имени он среди них не обнаружил. У него создалось впечатление, что «его» идею собираются воплотить в жизнь без него.
Когда сегодня Шепа Доулмена спрашивают, не хотел ли он оставить Хайно Фальке за бортом, он сначала молчит пару секунд в телефонную трубку. Но потом говорит дипломатично: «В то время не было ясно, какую роль смог бы сыграть Хайно в проекте». У американца и его коллег в то время сложилось впечатление, что у них вдруг появилось очень много новых друзей: после успешного наблюдения с помощью РСДБ за Стрельцом А* многие ученые захотели принять участие в ежегодно повторяющихся измерительных кампаниях.
Борьба за контроль над проектом
Доулмен опасался, что потеряет контроль над проектом и в итоге не получит должного признания за свою работу. А для Хайно Фальке было непонятно стойкое нежелание Доулмена сотрудничать с ним, Как он вспоминает, к тому времени он получил большую научную премию в Нидерландах и предложил закупить на эти деньги оборудование. Но Доулмен не хотел об этом и слышать.
Однако, в конце концов, именно недостаток денег заставил этих ученых объединиться. Но перед этим Фальке удалось значительно улучшить свою позицию в переговорах с Доулменом. Вместе со своим бывшим соавтором по диссертации Михаэлем Крамером (Michael Kramer), ставшим впоследствии директором Института радиоастрономии Общества Макса Планка, и теоретиком гравитации Лучиано Реццолла (Luciano Rezzolla) из франкфуртского Университета имени Гете он подал заявку на получение гранта Европейского исследовательского совета, которым Европейский союз поддерживает научные исследования. В 2013 году на этот грант было подано целых 449 заявки. Но в конце только 13 из них были удовлетворены, в том числе и проект Фальке, Крамера и Реццоллы.
На свою «Black Hole Cam» (англ. «камеру для черной дыры») они получили от ЕС 14 миллионов евро. Цель этого проекта была близка цели ученых, работающих над Телескопом горизонта событий. И те, и другие хотели обследовать центр галактики, найти там черную дыру и помимо нее нейтронные звезды, которые должны были блуждать в этом турбулентном регионе.
Таким образом, возникли две инициативы, стремящиеся сфотографировать черную дыру. Какое-то время европейские ученые думали, что сумеют самостоятельно выполнить эту задачу. Но очень скоро они поняли, что наилучших результатов они смогут добиться, только если будут сотрудничать со своими коллегами по ту сторону Атлантики. Правда, грант Европейского исследовательского совета вызывал недовольство у некоторых ученых, работающих над ЕНТ, прежде всего у Шепа Доулмена.
Но в Америке в то время возникли трудности с финансовой поддержкой науки, денег на проект ЕНТ не хватало. И поэтому вскоре европейские и американские радиоастрономы после сложных переговоров приняли решение о слиянии инициатив. На конференции в Ватерлоу в ноябре 2014 года они согласовали, наконец, между собой организационную структуру для «Event Horizon Collaboration». Шеп Доулмен стал директором, Хайно Фальке членом научного совета, Антон Цензус в качестве «председателя» взял на себя роль посредника.
Самый важный телескоп принудил к соглашению
Но самую главную роль в объединении ученых сыграла субмиллиметровая обсерватория ALMA. Она — самый эффективный инструмент в своей области. Приблизительно к 2015 году ученым стало ясно, что без нее им не обойтись, если проект ЕНТ должен увенчаться успехом. Но руководство обсерватории ALMA придает большое значение международному сотрудничеству — что и не удивительно, ведь этот комплекс телескопов содержится помимо Европейской организации по астрономическому изучению южного полушария (ESO) еще и одной американской и одной японской исследовательской организацией.
Поэтому дирекция обсерватории потребовала и от ответственных лиц проекта ЕНТ кооперации: Доулмен и его коллеги могли пользоваться 66 параболическими антеннами на чилийском плато только при условии, если вместе с ними будут работать исследователи из проекта ERC под руководством Фальке и азиатские ученые.
И вот наконец в апреле 2017 года восемь расположенных по всему земному шару обсерваторий направили свои антенны на Стрельца А* и М87. Помимо ALMA с европейской стороны в наблюдениях участвовал 30-метровый телескоп IRAM в испанской Сьерра-Неваде, работу которого помимо прочих обеспечивает Общество Макса Планка, а также европейский телескоп APEX в Чили. Во всех местах расположения обсерваторий небо было чистым. Час за часом телескопы следили за своими целями на небе. После трех дней наблюдений не спавшие ночами исследователи были слишком измотаны, чтобы продолжать работу. Через два дня они возобновили наблюдение — и в течение еще двух ночей собирали ценнейшие данные.
эн Маррон рассказывает на пресс-конференции в Вашингтоне о первой фотографии черной дыры
Прошло полгода, прежде чем все жесткие диски прибыли в Массачусетский технологический институт и боннский Институт радиоастрономии, ведь с Южного полюса их можно было вывезти самолетом только после окончания антарктической зимы. На специально запрограммированных суперкомпьютерах в Бостоне и Бонне ученые собрали воедино все массивы данных. В ходе напряженной филигранной работы они отделили радиоволны от посторонних шумов.
Затем они передали результаты своей работы коллегам, которые из отфильтрованных сигналов составили фотографии. Это значительно более сложно, чем в случае с обычными телескопическими снимками, ведь все восемь радиоволновых обсерваторий записывали свои данные лишь в восьми точках земного шара. То есть, теоретически множество снимков были совместимы с записанными в разных пунктах данными. Поэтому четыре независимых друг от друга группы сравнивали данные наблюдения с десятками тысяч компьютерных моделей, симулирующих все возможные варианты.
Важная функция досталась франкфуртской команде под руководством Лучиано Реццоллы. С помощью созданного ими компьютерного кода группа создала сотни сценариев сложных процессов в непосредственной близи от черной дыры. Для каждого из них суперкомпьютер с 1000-ядерным процессором должен был производить подсчеты иногда в течение целой недели. Благодаря этим «магнитно-гидродинамичным» моделям ученые, наконец, смогли установить, какие физические процессы полнее всего соответствуют реконструированному изображению ЕНТ.
Получившийся в итоге снимок из центра М87 был ближе всего к тому, что многие исследователи предполагали еще раньше: речь идет о супермассивной черной дыре, предположительно окруженной кольцом из сросшейся материи. И очевидно, что вращается или черная дыра, или кольцо. Поэтому нижний край кольца кажется более светлым — тут сияющая материя движется по направлению к наблюдателю, предполагают ученые. Это объясняется базирующимся на классическом эффекте Допплера эффектом из теории относительности, физики говорят в этом случае о релятивистском излучении.
В целом, результат хорошо соотносится с решением полевых уравнений Эйнштейна, которое выработал новозеландец Рой Керр (Roy Kerr) в 60-ые годы, написали ученые проекта ЕНТ в одной из шести публикаций о наблюдениях. Они были опубликованы в солидном научном журнале «The Astrophysical Journal Letters».
Один из самых больших вопросов в преддверии пресс-конференций состоял в том, не противоречат ли результаты наблюдений гипотезам теории относительности Эйнштейна. Еще в 2018 году Фальке, Крамер и Реццолла несколько приглушили эти предположения: по их мнению, по первому снимку ЕНТ еще нельзя сделать вывод, что некая альтернативная теория гравитации лучше объяснит результат наблюдения. Это мнение ученые еще раз высказали на пресс-конференции: «Пока снимок выглядит точно так, как это предсказывает теория Эйнштейна», — сказал Лучиано Реццолла.
Некоторые экстремальные сценарии ученые смогли исключить благодаря компьютерным моделям, построенным их командами. В том числе «голая» гравитационная сингулярность и определенные типы «кротовых нор» совершенно не соответствуют снимку из центра М87. И то, и другое физики в прошлом постоянно рассматривали как альтернативы черным дырам.
Радиотелескоп в Африке?
Был ли прав Эйнштейн и в деталях, покажут лишь новые данные измерений. А пока ученые должны заняться массивом данных из кампании наблюдения ЕНТ 2018 года. Смогут ли эти данные заметно улучшить снимок черной дыры из М87, пока не ясно. «Погода была плохая, и как на зло по техническим причинам из процесса выпала ALMA», — говорит Фальке.
Возможность наблюдать за галактическим центром с северного полушария возникает каждый год только на несколько недель в апреле. В 2019 году астрономам пришлось просто отказаться от кампании наблюдения, помимо прочего потому, что возникли проблемы с безопасностью в Мексике. Вопрос, поедут ли ученые из проекта ЕНТ в 2020 году на далекие горные вершины и направят свои параболические антенны на Стрельца А*, остается открытым.
Если же проект ЕНТ будет продолжен, то ученые намереваются подключить к комплексу дополнительные телескопы и продолжить наблюдение на еще более коротких длинах волн. Хайно Фальке, верующий астрофизик, агитирует за строительство субмиллиметрового телескопа на одной из гор Намибии. А в конце концов астрофизики хотят оказаться еще выше: комплекс из связанных между собой телескопов должен будет гоняться за тенью Стрельца А* уже в космосе.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Вас также может заинтересовать