Всё, что мы знаем про черные дыры

Черные дыры — самые загадочные объекты в нашей Вселенной. Люди никогда, до недавних пор, не видели реальных фотографий этих объектов, но, как они выглядят знали все. Парадокс на парадоксе. Впервые о черных дырах я узнал примерно лет в 7, листая страницы «астрономической энциклопедии». Более подробно в этом явлении я захотел разобраться в 11-12 лет, когда мне брат отдал книгу «Звезды: их рождение, жизнь и смерть» Иосифа Шкловского. Но дальше оперативных пробежек глазами по строчкам дело не зашло. Долгое время мне казалось, что люди знают о черных дырах все. Я ошибался. Ошибались и ученые — недавний снимок дал ответы, и доказал многое из гипотез, но создал еще пуд новых вопросов, на которые человечеству придется ответить в ближайшее время. Но, как людям пришла идея о том, что такие объекты существуют, если мы их никогда не видели? И почему черная? Об этом далее.

Кто предсказал существование черных дыр

Как и многое в нашем мире — существование черных дыр (или же невидимых звезд — это самый первый термин, которым называли черные дыры) считалось абсурдом. Как объект может быть невидимым? Ведь это противоречит волновой теории света! — Так считал французский математик, астроном и физик Пьер Лаплас. В период начала 19-го века он взял за основу теории британского ученого Джона Мичелла, который предполагал, что в космосе существуют объекты, которые мы не сможем увидеть даже в самый мощный телескоп, так как их сила гравитации не позволит фотонам света покинуть свои пределы. С чего он вообще это предположил?

Изучив работы Исаака Ньютона, которым была описана гравитационная константа (постоянная) Земли, и что все объекты, находящиеся в её пределах — притягиваются. Однако важно понимать, что Ньютон занимался не только изучением гравитации, одним из монументальных открытий является определение света (фотонов), как потока частиц. Мичелл решил объединить воедино эти два открытия и в ходе мысленных экспериментов, связав механику и оптику, он сделал вывод, что объекты, имеющие большую плотность и массу, могут удерживать и не выпускать частицы фотонов. А как фотоны могут удерживаться гравитацией, если это безмассовые частицы?

Представьте пушечное ядро — чтобы запустить его за пределы нашей планеты и сделать искусственным спутником, необходимо разогнать его выше скорости, с которой гравитация нашей планеты притягивает к себе материю. Известно — чем выше плотность и масса объекта, тем более сильное гравитационное притяжение он имеет. Следовательно, чтобы запустить это ядро в свободное пространства, например, с Kepler-442 b, которая по многим параметрам похожа на землю, потребуется большее количество энергии и большая скорость. Но что, если объект имеет такую силу гравитации, что притягивает другие тела с такой силой, что выбраться можно только развив скорость, выше скорости света? (Спойлер — такое невозможно).

Если объект имеет такие параметры (имею в виду, что он притягивает даже фотоны частиц) — это определенно черная дыра. Парадокс таких объектов ставил в тупик всех ученых разных эпох. Даже сейчас, когда уровень развития технологий, способен показать нам черные дыры, мы не способны в подробностях ответить и рассказать обо всем, что они в себе скрывают. Однако есть еще один момент, по которому можно вычислить черную дыру — по формуле гравитационного радиуса, открытой Карлом Шварцшильдом. Эту формулу еще называют «Формулой Шварцшильда», но это неважно. Давайте к сути.

В 1915-м году известнейший ученый Альберт Эйнштейн представил миру общую теорию относительности — ОТО, благодаря этой работе другие исследователи в ближайшее столетие смогли и теоретически, и практически исследовать и определить свойства практически всех явлений в нашей Вселенной. Одним из почитателей Эйнштейна, а именно Карлом Шварцшильдом, после изучения материалов теории относительности была выведена формула, можно даже сказать закон, по которому определяются значение сжатия массивных объектов, скажем для примера — звезд, до гравитационного радиуса.

После того как объект сжался до гравитационного радиуса, под воздействием своих же сил гравитации он не сможет восстановиться, а все другие частицы (излучение, свет) не могут покинуть его пределов. Именно эта модель стала наилучшим объяснением возникновения черных дыр. Сейчас объясню подробнее. Черную дыру чисто теоретически можно сделать из чего угодно. Для этого необходимо взять тело и сжимать его без потери массы. Частицы его вещества будут становиться все более плотны в отношении друг к другу и силы гравитации между ними будут возрастать. Если мы продолжим сжимать тело, например, нашу Землю до диаметра 8 миллиметров, планета станет маленькой черной дырой. Почему 8 миллиметров? Откуда взялась эта цифра? Взялась она, конечно же, не из пустого места, а из вычислений по формуле Шварцшильда. Выглядит она так: Rg=(2GM)/(c^2)

R — это собственно сам радиус (то, что получится в итоге вычисления)

G — гравитационная постоянная (6.67*10^(-11))

M — масса гипотетического тела (любое число)

С в квадрате — скорость света в вакууме (3*10^8)

Подставим значения:

R_g=(2*6.67*10^(-11)*6*10^24)/((3*10^8)^2)

После вычислений получается Rg= 0,008… (км). Переведем значение и получим 8*10^(-3), а это 8 миллиметров.

Можете сами поиграться с формулой и повычислять, до каких размеров нужно сжать, например, Луну, чтобы на её месте образовалась черная дыра. Если считать лень, то можете воспользоваться специальными сервисами в интернете, коих довольно много.

Окей, разобрались с тем, как можно определить и узнать гравитационный радиус образованной черной дыры. Но откуда мы знаем, что из них не может выбраться даже свет? Неужели сила гравитации может быть сильнее скорости света — максимумом скорости в пространстве? Да! И узнали мы это тоже с помощью точных формул и фундаментальных законов. Но тут я попытаюсь объяснить проще, без сложных загроможденных уравнений.

Наше пространство под воздействием гравитации искривляется — именно благодаря этому эффекту тела могут притягиваться друг к другу. Многие считают, что фотоны летят по прямой, но по прямой они летят относительно самих себя. На самом же деле массивные объекты способны искривлять свет от других объектов. Впервые гравитационное воздействие на свет обнаружил английский физик Артур Эдднгтон в 1919-м году. Тогда, изучая солнечное затмение, вместе с остальной командой экспедиторов в Африке было доказано, что Солнце очень слабо, однако, отклоняет лучи света от звезд на небе. Так и черные дыры, будучи плотными телами с бесконечно большой силой гравитации искривляют пространство до такой степени, что свет просто-напросто поглощается ими.

А выйти он не может, так как фотоны следуют, условно говоря по течению. Сравнить этот процесс можно с засасыванием воды в воронке — двигается она под воздействием кинетической силы и без внешних воздействий вода покинуть эту воронку не сможет никак. По отсутствию любого излучения и искривления вокруг, исследователи и обнаруживают черные дыры на карте нашего космоса. По этой причине, кстати, такие объекты и называли — «черными дырами», так как они не испускают, а лишь поглощают все возможные излучения. Долгое время люди не были способны хоть как-то запечатлеть их запечатлеть — все изображения, которые мы видели в интернете, в книгах, это лишь фантазии художников. Однако все они были созданы с учетом всех нюансов физических и математических свойств, формул. И вот, совсем недавно — 10 апреля ученым впервые в истории удалось сделать достоверное фото черной дыры. Об этом мы поговорим далее.

Телескоп горизонта событий (EHT)

Астрофизикам удалось запечатлеть изображение черной дыры, находящейся в галактике Мессье 87 в созвездии Девы. Расстояние от Земли до неё внушительное — 53 миллиона световых лет. Но как ученые смогли сделать её фотографию? — это ведь практически то же самое, что разглядеть морщинку на лбу у человека, который стоит на поверхности Луны… И почему это не удавалось ранее?

До 2019-го года люди никогда не видели реальных изображений черных дыр, об этом я уже говорил. Однако обнаружить их нам удалось давно, еще с появлением радиотелескопов. Одним из последних открытий было обнаружение телескопом «Хаббл» необычной черной дыры в центре галактики RXJ1140.1+0307 в 2017-м году. Чем отличается картинка с «Хаббла» от «EHT" (Event Horizon Telescope)?

Я думаю, тут все очевидно — изображение галактики RXJ1140.1+0307 не позволяет нам полностью оценить все масштабы сверхмассивной черной дыры в центре, а также её визуальные свойства, чтобы подтвердить или опровергнуть предположения астрофизиков. А вот EHT предоставляет нам все доказательства теоретических представлений черных дыр.

Теперь возвращаемся к основным вопросам — «Как ученым удалось сделать такую фотографию»? Телескоп горизонта событий — это не просто одиночный телескоп, это целая сеть из восьми радиотелескопов, установленных в разных частях света. Общий радиус действия сети составляет порядка 10 000 километров. Точность углового расстояния 7-10 микросекунд. Сам процесс запечатления черной дыры в М87 был начат в 2017-м году и продолжался всего четыре дня, четыре дня — изменивших мир. Однако процесс обработки полученных данных потребовал два года, были получены петабайты данных, а жесткие диски с ними перевозили в главный центр самолетами.

Без специального программного алгоритма, который разработала 29-летняя девушка, выпускница института MIT Кэти Боумэн, такого великого события могло бы и не быть. Об этом чуть позже.

Проект по созданию телескопа, способного получить фотографию черной дыры был начат еще в 2012-м году и тогда в планах было создание массивного улавливателя сигналов. Чуть позже, исследователи пришли к выводу, что вовсе не нужно тратить время и деньги на создание такой махины, ведь толку от неё будет мало. А вот от объединения в единую систему нескольких телескопов, находящихся в разных точках Земли, мы смогли бы наиболее точно уловить, так называемую «тень черной дыры». Всего участие в программе принимали 8 телескопов, расположенных на территории США, Испании, Мексики, Чили, Гавайев и Южного Полюса. Россия, к сожалению, участия в этом проекте не принимала.

А как все эти телескопы работали вместе, если они находились на разных континентах? И в чем преимущество? Дело в том, что М87 находится на чудовищно большом расстоянии от Земли и в привычном нам понимании, потребовался бы телескоп, сейчас без шуток, размером со всю планету. Тогда бы мы смогли бы увидеть все что угодно, но сделать подобное нереально, да и смысла в этом нет. А размещение, например, нескольких телескопов на значительном расстоянии друг от друга даст тот же эффект. Еще дело кроется в так называемом угловом расстоянии. Я как-то в этой статье уже сказал, что точность измерения состаялвет 7-10 микросекунд. Что это такое? Давайте рассмотрим на примере. Посмотрите на эту картинку, сейчас вы видете два шара расположенных относительно близко друг к другу.

Но, как только я начну размещать эти сферы все дальше и дальше, для наблюдателя (то есть для нас с вами) они будут постепенно казаться одним целым и в какой-то момент вовсе сольются. Тоже касается и объектов в космосе, которые находятся на большом расстоянии.

Так, например выглядит Луна, сфотографированная на объектив с угловым расстоянием, как у наших глаз.

А так, сфотографированная через телескоп. Разница в количестве деталей и четкости заметна сразу. Если бы мы пытались заснять черную дыру через один телескоп, то у нас бы ничего не получилось. Однако синхронизировав целых восемь телескопов размещенных, как можно дальше друг от друга мы увеличиваем апертуру и можем заглянуть в самые дальние уголки нашего космоса. С этим разобрались. А зачем ученые решили исследовать столь отдаленную от нас галактику с её черной дырой?

Галактика Мессье 87, ну или просто М87 находится от нас на расстоянии в 53 миллиона световых лет. Сверхмассивная черная дыра нашей галактики находится от Солнечной системы всего в 26 тысячах световых лет. Не усложнили мы себе жизнь? — Нет. Ведь запечатлеть, даже в радиоволнах центр нашей галактики было бы крайне сложно, если вовсе невозможно. Вот тогда бы мы и вправду значительно усложнили бы себе жизнь. Дело в том, что мы с вами находимся в рукаве Ориона нашей галактики, и наблюдать её центр очень сложно, из-за того, что миллионы других звезд будут нам просто-напросто создавать помехи и обнаружить так называемую «тень» черной дыры не выйдет. Это тоже самое, что увидеть вашего друга, стоящего ровно напротив вас через пару километров лесополосы — деревья, как и звезды будут мешать обзору.

Также упрощает наблюдения тот факт, что наблюдаемая галактика и её черная находится от нас дальше и изменения в её движении не так заметны.

А как несколько телескопов, находящихся в значительном расстоянии, друг от друга могут одновременно наблюдать одну черную дыру? Наша земля вращается, и все телескопы исследовали черную дыру поочередно, когда планета находилась в нужном положении. То есть — сначала один телескоп делал снимок, потом второй и так далее. После этого все данные, полученные с телескопов, записывались на жесткие диски и перевозились в центр обработки. Как только все данные были собраны при помощи мощнейших суперкомпьютеров эти 5 петабайт данных прошли несколько этапов цифровой обработки — на первом этапе (этапе корреляции) все значения, полученные с телескопов, были объединены, а сам объем файлов был уменьшен в тысячу раз. После того, как все данные были синхронизированы и объединены, записанные радиоволны (именно радиоволны, так как они лучше всех остальных исследуются в миллиметровом диапазоне) проходили процесс калибровки. То есть, специальный алгоритм, о котором мы наконец поговорим в следующем пункте, выявлял недостающую мощность источника, увеличивал её и делал достоверной. Шумы и помехи при этом отсекались. На этом этапе общий объем информации уменьшался в десять тысяч раз. Ну и в заключении данные проходили через алгоритм, визуализирующий полученные радиоволны. Одним из главных разработчиков этой системы является ставшая уже знаменитой на весь мир Кэти Боумен. Девушка, совместно с командой других ученых, смогла создать специальный компьютерный алгоритм, который буквально реставрировал радиоволны и cделал из них картинку, увидя которую мы смогли наконец убедиться во всех нюансах, которые предсказывал Эйнштейн и рисовали художники. Если вы хотите подробно ознакомиться с проектом EHT и всеми техническими нюансами, то я рекомендую посмотреть получасовую лекцию Кэти Боумен на TED.

Я же скажу вкратце, по какому принципу алгоритм сделал из радиоволн картинку. В систему были загружены сотни разных фотографий и картинок с изображениями черных дыр и других космических объектов. Чтобы убедиться в объективности работы алгоритма ученые загружали в него уже исследованные ранее радиоданные других космических объектов и, как оказалось, алгоритм на выходе выдавал картинку, которая была в точности схожа с исходной. Её, кстати, в алгоритм не загружали. Полученное изображение изначально было монохромным, покрасили его в оранжевые тона потом, и только для удобства, чтобы степени яркости плазмы были более отличимы.

В итоге мы теперь знаем, что в течение сотни лет наши убеждения не просто в существовании черных дыр, но и в том, как они выглядят оказались верны. Уже в 2020-м году EHT планируют подключить больше телескопов и спутников к своей системе, чтобы сделать более четкое изображение черной дыры и даже снять её на видео. В будущем это позволит нам узнать намного больше о самой природе черных дыр и нашего пространства. Но не стоит обольщаться — ведь, чем больше ответов мы находим, тем больше новых вопросов возникает. Пока человечество будет жить — эта гонка открытий не закончится никогда.