Як нам вдалося отримати зображення чорних дір

Вона відома під назвою Стрілець А* ("А з зірочкою").
Сама чорна діра не випромінює світла, тож те, що ми бачимо, є потоками гарячої плазми, які рухаються навколо діри.
Це – лише друге зображення чорної діри за весь час спостережень.
Авторство належить колаборації Телескопа горизонту подій.
Це та сама команда, яка раніше отримала знімок надмасивної чорної діри в центрі галактики M87.
Насправді вчені хотіли спочатку зняти Стрілець А* ("А з зірочкою").
Оскільки цей об'єкт належить нашій галактиці, він у 2000 разів ближчий ніж центр галактики M87.
Але водночас він у 1000 разів менший.
Відтак для земного спостерігача Стрілець А* лише трохи більший за чорну діру в M87.
Існують й інші труднощі (у спостереженні чорної діри Стрілець А*).
По-перше, між нами й центром Галактики є багато пилу й газу, тож Стрілець А* у видимому світлі неможливо навіть побачити.
На цьому відео від Європейської південної обсерваторії ми масштабуємося на центрі нашої галактики, наближаючись до чорної діри.
У певний момент ми перемикаємося на інфрачервоне світло, яке краще проходить крізь пилові хмари, дозволяючи розгледіти об'єкти в центрі.
За останні три десятиліття ми змогли зазирнути в серце Чумацького Шляху і стати свідками дивовижних явищ.
Вчені виявили там групу зірок з дуже ексцентричними орбітами.
Ці зірки рухаються надзвичайно швидко.
Одна з них пролітає 24 мільйони метрів за секунду.
А це 8% від швидкості світла.
Усі ці зірки обертаються навколо неймовірно масивного і дуже компактного об’єкта.
Але він не світиться як зірка.
Якщо поглянути ближче, то можна помітити мерехтіння.
Це те, що ми вважаємо надмасивною чорною дірою.
З руху зірок навколо неї можна зробити висновок, що маса чорної діри приблизно в 4 мільйони разів більша за масу нашого Сонця.
І вся ця маса сконцентрована в крихітній області - гравітаційній сингулярності.
Усе, що потрапляє всередину радіуса Шварцшильда, навіть світло, не може уникнути падіння у сингулярність.
Тож будь-яке випромінювання від чорної діри може надходити лише з-поза меж цієї сфери.
Зазвичай випромінює надгаряча плазма, що падає у чорну діру.
Але для свого розміру Стрілець А* (А з зірочкою) поглинає не дуже багато речовини.
Ця чорна діра незвичайно тиха і темна.
Надмасивна чорна діра в галактиці M87, навпаки, значно активніша.
Вона невпинно поглинає речовину з акреційного диска.
До того ж оскільки вона в 1000 разів більша, тому один оберт навколо неї триває у 1000 разів довше.
Для земного спостерігача чорна діра в М87 значно стабільніша ніж об'єкт Стрілець А* (з зірочкою), який може змінюватись щохвилини.
Ці візуалізації належать Лучано Резолла та його колегам з Університету Ґете у Франкфурті.
Головна складність у створенні зображень надмасивних чорних дір полягає в тому, що ці об’єкти надзвичайно компактні й далекі, тож їхні видимі розміри для нас дуже, дуже малі.
Щоб уявити, наскільки вони крихітні, розділіть небо над горизонтом на 180 градусів.
Галактика Андромеди займатиме приблизно 3° (градуси).
Тепер розділіть 1° на 60′ (кутових мінут), а одну кутову мінуту - на 60″ (кутових секунд).
Нарешті, розділіть кутову секунду на 100 частин,..
ще раз 100,.. і ще раз на 100.
Ось таким є кутовий розмір цих чорних дір на небі.
Це ніби зробити знімок пончика, який лежить на поверхні Місяця.
На Землі немає оптичних телескопів, здатних отримати таке зображення.
Тож у цьому відео я хочу відповісти на два запитання: Як вдалося отримати ці зображення?
І що ми власне на них бачимо?
Почнімо з того, як вчені отримали зображення чорних дір.
Насамперед тут не було задіяне видиме світло.
Вчені використали радіохвилі довжиною 1,3 мм (один і три десятих міліметра).
Для цього знадобилися радіотелескопи, які своєю формою нагадують супутникові тарілки.
Радіохвилі від джерела поширюються радіально у всіх напрямках.
Але Земля розташована настільки далеко від джерела, що, досягнувши її, хвильовий фронт стає практично пласким та паралельним.
Тому таку хвилю називають плоскою.
Радіотелескоп працює, скануючи всю доступну йому область неба.
Коли він напрямлений точно на джерело радіохвиль, то у ньому формується яскрава пляма.
Це тому, що всі радіохвилі проходять однакову відстань, відбиваються від тарілки і реєструються одночасно.
Їхні фази однакові, тобто горби хвиль збігаються з горбами, а впадини - з впадинами Усі хвилі конструктивно інтерферують.
Коли ж телескоп відхиляється від джерела, окремі хвилі проходять різні відстані і приходять до приймача у протифазі, - деструктивно інтерферують, - тож інтенсивність сигналу в такому разі падає до нуля.
Для отримання чіткого зображення цей спад повинен бути якомога крутішим, щоб телескоп видавав пікову інтенсивність, лише коли націлений точно на джерело; і ця інтенсивність повинна різко падати при крихітному зміщенні антени в будь-якому напрямі.
Існує два способи досягти цього.
Перший - використовувати хвилі вищих частот, коли певне мале зміщення телескопа відповідатиме більшій частині довжини хвилі.
Через це деструктивна інтерференція настає швидше.
Інший спосіб - збільшити діаметр телескопа.
Це збільшить різницю між пройденими шляхами радіохвиль для протилежних країв телескопа для певного кутового зміщення.
Те, наскільки мале джерело радіохвиль може ідентифікувати телескоп, називається його кутовою роздільністю.
Ви можете уявити її як мінімальний розмір плями на небі, яку може зареєструвати телескоп.
Кутова роздільність пропорційна довжині хвилі й обернено пропорційна діаметру телескопа.
Складність отримання зображення чорної діри полягає в тому, що ви намагаєтесь побачити структуру на крихітній ділянці неба.
Уявімо процес сканування радіотелескопом центра чорної діри.
Ми очікуємо на яскраву ділянку при русі телескопа зліва направо, а потім темну ділянку, яка знову зміниться на яскраву.
Проблема в тому, що для будь-якого окремого радіотелескопа його власна кутова роздільність недостатня.
Тож при зміщенні праворуч телескоп отримує хвилі одночасно і з лівої, і з правої частин чорної діри.
І через недостатню роздільну здатність неможливо визначити структуру: чи-то кільце, як ми очікуємо, чи-то просто пляма.
Спостереження на коротших радіохвилях практично неможливе, оскільки таке випромінювання блокується або нашою атмосферою, або речовиною навколо чорної діри.
Тож єдиний спосіб покращити роздільну здатність - це збільшити діаметр антени телескопа.
Проте, якщо провести розрахунки, то виявиться, що для спостереження "кільця" чорної діри потрібен телескоп розміром з Землю.
Вочевидь, таку антену зробити неможливо.
Але існує спосіб зробити щось не набагато гірше.
Вам не потрібно брати суцільну гігантську антену: натомість можна взяти її фрагменти, розмістивши телескопи на відстанях, співмірних з діаметром Землі.
Якщо ви зможете правильно поєднувати сигнали цих віддалених один від одного телескопів, то отримаєте інтерференційну картину, необхідну для такої ж кутової роздільності, як і в антени розміром із Землю.
Цей метод називається "радіоінтерферометрія з наддовгою базою".
Отож, телескоп горизонту подій - це не якийсь окремий телескоп, а глобальна мережа радіоастрономічних обсерваторій.
Всі ці телескопи одночасно спостерігають за Стрільцем А* (А з зірочкою).
На відміну від окремого телескопа, ви не можете спрямувати всі радіохвилі до центрального приймача і додати їх в реальному часі.
Натомість кожен телескоп окремо записує свій сигнал з точністю до фемтосекунди.
Так генеруються петабайти даних.
Тепер ці дані треба правильно об'єднати.
Найшвидшим способом зробити це було переміщення жорстких дисків до центру обробки даних.
Тепер погляньмо на отримані дані.
Електричні сигнали й точні часові відмітки з різних радіотелескопів по всьому світу.
Але жоден з цих пристроїв не має достатньої кутової роздільності, щоб побачити кільце чорної діри.
То як можна поєднати ці дані, щоб отримати більш детальну інформацію, ніж кожен з телескопів дав окремо?
У нас є інформація про відстані між цими телескопами та часові затримки між тим, коли хвильовий фронт досягає одного телескопа відносно інших.
Уявімо поєднання сигналів від двох віддалених телескопів.
Припустимо, що обидва прилади отримують сигнал в один момент, тобто радіохвилі прийшли у фазі.
Таким чином джерело розміщене на однаковій відстані від них.
Радіохвилі пройшли однакові відстані до кожного телескопа, щоб прибути одночасно.
Проте якщо в системі буде лише два телескопи, ми матимемо лінію на небі, рівновіддалену від обох телескопів.
Джерело випромінювання може бути будь-де на цій лінії.
Усе насправді навіть гірше: джерело може бути на одну довжину хвилі ближче до одного з телескопів, і тоді радіохвилі теж приходитимуть у фазі.
Або ж різниця ходу може дорівнювати двом, трьом чи навіть чотирьом довжинам хвилі.
Отож інформація, отримана від пари телескопів, матиме вигляд серії світлих і темних інтерференційних смуг.
Телескопи, розташовані поряд, даватимуть широкі смуги, а далекі телескопи даватимуть вузькі.
Для отримання зображення знадобляться пари телескопів з різними взаємними орієнтаціями й з різними відстанями.
Кожна така пара дає власну інтерференційну картину.
Комбінуючи всі ці смугасті "візерунки", ми отримаємо зображення чорної діри.
Проте тепер треба зрозуміти, що саме ми бачимо на цих знімках?
Ось так я це пояснював, коли з'явилося перше зображення чорної діри.
Отже, ось мій макет чорної діри.
Поверхня цієї кулі представляє горизонт подій.
Будь-що, потрапивши всередину, не зможе вирватися, навіть світло.
Радіус горизонту подій називають радіусом Шварцшильда.
Якби біля чорної діри не було речовини, то нам не вдалося б отримати таке зображення, оскільки вона сама нічого не випромінює.
Але біля спостережуваної чорної діри речовина є, і це акреційний диск.
Він утворений потоками газу й пилу, що рухаються дуже хаотично.
Цей диск надзвичайно гарячий. Йдеться про мільйони градусів.
Речовина кружляє там на швидкості, співмірній зі швидкістю світла.
Чорна діра поступово поглинає цю речовину стаючи все більшою і більшою.
Ви могли помітити, що акреційний диск не починається від горизонту подій.
І ось чому.
Існує найбільш внутрішня стабільна колова орбіта.
Для речовини біля чорної діри, яка не обертається, радіус цієї орбіти дорівнює трьом радіусам Шварцшильда.
Найімовірніше, чорна діра в центрі нашої галактики обертається.
Але для спрощення ми розглядаємо випадок без обертання.
Ви можете подивитись моє відео про чорні діри, що обертаються.
Це найбільш внутрішня орбіта для речовини, що рухається навколо чорної діри.
Перетнувши цю орбіту, речовина швидко потрапляє всередину чорної діри, і вибратися звідти вже ніколи не зможе.
Але є щось, що може обертатися ближче до чорної діри, і це ... світло.
Оскільки світло не має маси, воно може обертатися навколо чорної діри на відстані 1,5 (півтора) радіуса Шварцшильда.
Я зобразив цю "орбіту" кільцем, але насправді вона може мати будь-яку орієнтацію.
Така сукупність фотонних орбіт називається фотонною сферою.
Якби ви були там, що, звісно, неможливо, то, поглянувши вперед, ви побачили б свою потилицю, тому що фотони пройшли б повне коло.
Фотонна сфера є нестабільною орбітою, Це означає, що фотони повинні або потрапити в сингулярність, або ж вилетіти у безмежний космос.
Ось питання, на яке я хочу відповісти: що спільного ця так звана "тінь" на зображенні має з тим, що насправді відбувається навколо чорної діри?
Можливо, це горизонт подій і ми просто бачимо його?
Або ж це фотонна сфера?
Чи це найбільш внутрішня стабільна колова орбіта?
Що ж, усе непросто.
І причина в тому, що чорна діра викривляє простір-час навколо, а відтак змінює траєкторії поширення світла, тож вони вже не є прямими, як ми зазвичай їх собі уявляємо.
Вони, звісно ж, прямі, але викривлений простір-час робить ці прямі також кривими.
Найкраще буде уявити паралельні світлові промені, що йдуть від спостерігача крізь цю змінену геометрію.
Якщо паралельні промені перетнуть горизонт подій, ми їх більше ніколи не побачимо.
Це безумовно буде темна область.
Але світловий промінь, спрямований трохи вище горизонту подій, викривиться, і зрештою перетне горизонт, потрапивши в чорну діру.
Навіть світловий промінь, що спрямований по дотичній до фотонної сфери, теж викривиться і в підсумку перетне горизонт, а отже потрапить у чорну діру.
Щоб отримати паралельні промені, які не поглинуться чорною дірою, нам потрібно вийти за межі значення 2,6 (дві цілих і шість десятих) радіусів.
Якщо світло йтиме на прицільній відстані 2,6 радіуса Шварцшильда, воно лиш зачепить фотонну сферу під час максимального зближення, а потім полетить у нескінченність.
Отже, в підсумку тінь матиме ось такий вигляд [показано на екрані].
Вона буде у 2,6 (дві цілих і шість десятих) рази більшою ніж горизонт подій.
Ви можете запитати: "І що ж ми тут бачимо? Чим є ця тінь?"
Що ж, посередині тіні розташований горизонт подій, він проєктується на центральну область тіні.
Але врахувавши, що світлові промені, які йдуть вище або нижче, також перетинають горизонт подій - на його зворотному боці - ми фактично отримуємо весь зворотний бік горизонту подій, відображений у кільці цієї тіні.
Отже, дивлячись з певної точки простору на чорну діру, ми насправді бачимо увесь горизонт подій чорної діри.
Мабуть, не дуже правильно казати «бачимо», адже горизонт цілковито чорний.
Але саме так згадані точки горизонту відображаються на цій тіні.
Усе іще дивніше, тому що світло може облетіти чорну діру, а потім, скажімо, поглинутися спереду.
І ми отримаємо іще одне повне зображення усього горизонту на кільці далі від центра.
А потім ще одне, і ще, і ще.
Ми матимемо нескінченне число зображень горизонту в процесі наближення до краю тіні.
То яке перше світло за тінню ми побачимо?
Це світлові промені з такою прицільною відстанню, що вони дотикаються до фотонної сфери, а потім потрапляють у наші телескопи.
Саме вони обрамляють тінь, яка у 2,6 (дві цілих і шість десятих) рази більша за розмір горизонту подій.
Отже, це приблизно те, що ми побачили б, якби дивились перпендикулярно до акреційного диска.
Але, найімовірніше, ми бачитимемо диск під якимось довільним кутом.
Ми можемо навіть спостерігати його з ребра.
То чи побачимо ми тінь чорної діри в такому випадку?
Ви можете подумати, що ні.
Але через те, що чорна діра викривляє простір-час та вигинає траєкторію світла, ми таки побачимо зворотний бік акреційного диска.
Річ у тім, що світлові промені від акреційного диска огинають горизонт подій і потрапляють у наші телескопи.
І ми в підсумку бачимо щось на кшталт цього.
Аналогічно, світло з "нижньої" частини акреційного диска проходить з цього боку від горизонту, викривляється і дає такий вигляд диска.
Саме так ми й отримуємо зображення, схоже на чорну діру з фільму «Інтерстеллар».
(драматична музика) Далі - ще божевільніше: світло від "передньої верхньої" частини акреційного диска може обійти чорну діру позаду, торкнутися фотонної сфери й вийти знизу, утворюючи дуже тонке кільце світла під тінню.
Аналогічним чином, світло "передньої нижньої" частини акреційного диска може пройти під горизонтом й вийти вгорі.
Ось чому ми бачимо кільце світла тут.
Такою ми бачили б чорну діру, якби були дуже близько до неї.
І вона на вигляд справді ефектна.
Ще один важливий ефект полягає в тому, що речовина в акреційному диску рухається на швидкості, близькій до світлової.
І при русі до нас вона буде набагато яскравішою, ніж якщо рухається від нас.
Це релятивістське збільшення яскравості.
І тому один бік акреційного диска буде набагато яскравішим ніж інший.
Тому ми бачимо яскраву область на зображенні.
Сподіваюся, ви тепер краще розумієте, що ми насправді бачимо, дивлячись на зображення чорної діри.