Черная дыра, как показано в фильме «Межзвездный», довольно точно показывает горизонт событий для очень специфического класса вращающихся черных дыр. Изображение предоставлено Interstellar / R. Hurt / Caltech.

2018 год станет годом, когда человечество увидит нашу первую черную дыру

Телескоп «Горизонт событий» подключился к сети и получил данные. Теперь ждем результатов.

Черные дыры являются одними из самых невероятных объектов во Вселенной. Есть места, где столько массы собралось в таком крошечном объеме, что частицы отдельной материи не могут оставаться такими, какими они обычно являются, и вместо этого разрушаются до сингулярности. Эта особенность окружает сфероподобную область, известную как горизонт событий, из которой ничто не может вырваться, даже если оно движется с максимальной скоростью Вселенной: скоростью света. Хотя мы знаем три отдельных способа формирования черных дыр и обнаружили свидетельства для тысяч из них, мы никогда не представляли один из них напрямую. Несмотря на все, что мы обнаружили, мы никогда не видели горизонт событий черной дыры и даже не подтверждали, что они действительно были. В следующем году все изменится, поскольку первые результаты телескопа «Горизонт событий» будут раскрыты, отвечая на один из самых давних вопросов в астрофизике.

Места расположения радиоприемников, которые планируются, будут частью массива Event Horizon Telescope. Изображение предоставлено: Event Horizon Telescope / Университет Аризоны.

Идея черной дыры не является чем-то новым, поскольку ученые веками осознавали, что по мере того, как вы собираете больше массы в заданный объем, вы должны двигаться с все большей и большей скоростью, чтобы вырваться из гравитационного колодца, который он создает. Поскольку существует максимальная скорость, с которой может распространяться любой сигнал - скорость света, - вы достигнете точки, в которой что-то внутри этого региона захвачено. Вещество внутри будет пытаться защитить себя от гравитационного коллапса, но любые несущие силу частицы, которые он пытается излучать, изгибаются к центральной сингулярности; нет никакого способа оказать внешнее давление. В результате, сингулярность неизбежна, окружена горизонтом событий. Что-нибудь, что попадает в горизонт событий? Также в ловушке; изнутри горизонта событий все пути ведут к центральной сингулярности.

Иллюстрация активной черной дыры, которая аккумулирует вещество и ускоряет его часть наружу в двух перпендикулярных струях, может описывать черную дыру в центре нашей галактики во многих отношениях. Изображение предоставлено: Mark A. Garlick.

Практически существует три механизма, которые мы знаем для создания настоящих астрофизических черных дыр.

  1. Когда достаточно массивная звезда прожигает свое топливо и выходит за пределы сверхновой, центральное ядро ​​может взорваться, превратив существенный фрагмент звезды перед сверхновой в черную дыру.
  2. Когда две нейтронные звезды сливаются, если их совокупная масса после слияния превышает 2,5-2,75 солнечной массы, это приводит к образованию черной дыры.
  3. И если либо массивная звезда, либо газовое облако могут подвергнуться прямому коллапсу, это также приведет к появлению черной дыры, где 100% первоначальной массы уходит в последнюю черную дыру.
Иллюстрации, иллюстрирующие простой черный круг, возможно, с кольцом вокруг него, представляют собой упрощенную картину того, как выглядит горизонт событий. Изображение предоставлено: Виктор де Шванберг.

Со временем черные дыры могут продолжать поглощать материю, соразмерно увеличиваясь как в массе, так и в размерах. Если вы удвоите массу своей черной дыры, ее радиус также удвоится. Если вы увеличите его в десять раз, радиус увеличится также в десять раз. Это означает, что по мере увеличения массы - по мере роста вашей черной дыры - ее горизонт событий становится все больше и больше. Поскольку ничто не может уйти от него, горизонт событий должен выглядеть как черная «дыра» в пространстве, блокирующая свет от всех объектов позади него, что усугубляется гравитационным изгибом света из-за предсказаний общей теории относительности. В общем и целом, мы ожидаем, что горизонт событий, с нашей точки зрения, будет на 250% больше, чем предполагали массовые прогнозы.

Черная дыра - это не просто масса, наложенная на изолированный фон, но она будет демонстрировать гравитационные эффекты, которые растягивают, увеличивают и искажают фоновый свет из-за гравитационного линзирования. Изображение предоставлено: Ute Kraus, физкультурная группа Kraus, Universität Hildesheim; Аксель Меллингер (фон).

Принимая все это во внимание, мы можем посмотреть на все известные черные дыры, включая их массы и то, как далеко они находятся, и вычислить, какая из них должна казаться самой большой с Земли. Победитель? Стрелец А *, черная дыра в центре нашей галактики. Его объединенные свойства «всего лишь» в 27 000 световых лет на расстоянии, в то же время достигая невероятно большой массы, которая в 4 000 000 раз превышает массу Солнца, делает его № 1. Интересно, что черная дыра, которая попадает в # 2, является центральной черной дырой M87: самой большой галактики в скоплении Девы. Хотя это более 6 миллиардов солнечных масс, оно находится на расстоянии 50–60 миллионов световых лет. Если вы хотите увидеть горизонт событий, наш собственный галактический центр - это то, что вам нужно.

Некоторые из возможных сигналов профиля горизонта событий черной дыры, как показывают модели телескопа горизонта событий. Изображение предоставлено: Наука с высоким угловым разрешением и высокой чувствительностью, позволенная ALMA с использованием Beamformed, V. Fish и др., ArXiv: 1309.3519.

Если бы у вас был телескоп размером с Землю, и между нами и черной дырой не было ничего, что могло бы блокировать свет, вы бы смогли его увидеть, без проблем. Некоторые длины волн относительно прозрачны для галактической материи, поэтому, если вы посмотрите на длинноволновый свет, такой как радиоволны, вы можете увидеть сам горизонт событий. Теперь у нас нет телескопа размером с Землю, но у нас есть множество радиотелескопов по всему земному шару и методы объединения этих данных для получения единого изображения. Телескоп Event Horizon объединяет в себе лучшие из наших современных технологий и должен позволить нам увидеть нашу самую первую черную дыру.

Представление различных телескопов, способствующих возможностям визуализации телескопа Event Horizon с одного из полушарий Земли. В апреле были получены данные, которые должны позволить обнаружить (или не обнаружить) горизонт событий вокруг Стрельца А * в течение следующего года. Изображение предоставлено: APEX, IRAM, Дж. Нараянан, Дж. МакМахон, JCMT / JAC, С. Хостлер, Д. Харви, ESO / C. Малин.

Вместо одного телескопа по всему земному шару располагаются от 15 до 20 радиотелескопов, одновременно наблюдающих одну и ту же цель. До 12 000 километров, разделяющих самые отдаленные телескопы, можно разрешить объекты размером до 15 микросекунд (мкс): размером с муху на Луне. Учитывая массу и расстояние Стрельца А *, мы ожидаем, что он будет более чем в два раза больше этой цифры: 37 мкАс. На радиочастотах мы должны видеть множество заряженных частиц, ускоренных черной дырой, но должна быть «пустота», в которой лежит сам горизонт событий. Если мы сможем правильно объединить данные, мы сможем создать изображение черной дыры в первый раз.

Пять различных симуляций в общей теории относительности с использованием магнитной гидродинамической модели аккреционного диска черной дыры и того, как в результате будет выглядеть радиосигнал. Обратите внимание на четкую подпись горизонта событий во всех ожидаемых результатах. Автор изображения: GRMHD-моделирование изменчивости амплитуды видимости для изображений телескопа Event Horizon Sgr A *, L. Medeiros et al., ArXiv: 1601.06799.

Телескопы, в состав которых входил телескоп Event Horizon, сделали свой первый снимок, чтобы одновременно наблюдать Стрельца А * в прошлом году. Данные собраны, и в настоящее время они готовятся и анализируются. Если все будет работать так, как задумано, у нас будет первое изображение в 2018 году. Будет ли оно отображаться как предсказание Общей относительности? Есть несколько невероятных вещей для тестирования:

  • имеет ли черная дыра правильный размер, как предсказывает общая теория относительности,
  • является ли горизонт событий круглым (как предсказано), или сжатым или вытянутым вместо этого,
  • распространяются ли радиоизлучения дальше, чем мы думали, или
  • есть ли другие отклонения от ожидаемого поведения.
Ориентация аккреционного диска в виде лицевой стороны (две панели слева) или ребра (две панели справа) может существенно изменить то, как нам кажется черная дыра. Изображение предоставлено: «К горизонту событий - сверхмассивная черная дыра в Галактическом Центре», Класс. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013).

Что бы мы ни делали (или не делаем), обнаруживая, мы готовы сделать невероятный прорыв, просто создав наше первое в мире изображение черной дыры. Нам больше не нужно полагаться на симуляции или представления художника; у нас будет самая первая актуальная картина на основе данных для работы. Если он успешен, он прокладывает путь для еще более длительных базовых исследований; с помощью множества радиотелескопов в космосе мы могли бы расширить зону действия от одной черной дыры до многих сотен. Если 2016 год был годом гравитационной волны, а 2017 год был годом слияния нейтронных звезд, то 2018 год считается годом горизонта событий. Для любого поклонника астрофизики, черных дыр и общей теории относительности мы живем в золотом веке. То, что когда-то считалось «непроверенным», внезапно стало реальностью.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».