Найбільший об’єкт на нашому нічному небі - на сьогоднішній день! - нам непомітний. Об'єктом є Супермасивна Чорна Діра (SMBH) в центрі нашої галактики Чумацький Шлях, яка називається Стрілець А. Але незабаром у нас може бути зображення горизонту подій Стрільця A. І це зображення може стати викликом теорії загальної відносності Ейнштейна.
Ніхто не бачив горизонту подій чорної діри. Інтенсивний гравітаційний потяг запобігає уникненню будь-якого, навіть легкого. Горизонт подій - це точка не повернення. Неважливо, ні світло, ні інформація не можуть уникнути. Але ми можемо бути близькими до отримання зображення горизонту подій Стрільця A завдяки телескопу «Горизонт подій» (EHT).
EHT - це міжнародна співпраця, призначена для дослідження безпосереднього оточення чорної діри. Це не один телескоп, а пов'язана система радіотелескопів по всьому світу, які працюють разом за допомогою інтерферометрії. Вимірюючи електромагнітну енергію з області, що оточує чорну діру, за допомогою декількох радіоактивних посудин у кількох місцях, можна отримати деякі властивості джерела.
Дослідники з EHT сподіваються, що їх спостереження врешті-решт дадуть зображення інтенсивних гравітаційних ефектів, які ми очікуємо побачити біля чорної діри. Вони також сподіваються виявити деяку динаміку на роботі біля отвору, оскільки орбітальна речовина в накопичувальному диску досягає релятивістської швидкості.
Проект EHT зібрав дані про Стрільця А та ще одну чорну діру під назвою M87 в центрі галактики Діви А протягом чотирьох років. Ці чотири роки закінчилися у квітні 2017 року, але команда із 200 вчених та інженерів досі аналізує дані. Тим часом команда опублікувала зображення комп'ютерних моделей того, що вони сподіваються побачити.
Зображення може здатися не дуже схожим, але воно значне. Це еквівалент читання заголовка газети про Місяць, стоячи на Землі. Зображення може допомогти нам відповісти на деякі заплутані запитання щодо чорних дір:
- Яку роль відігравали чорні діри у формуванні галактик?
- Як виглядають світло і матерія, коли вони падають до чорної діри?
- З чого складаються потоки енергії, що стріляють із чорних дір?
Також існує ймовірність, що зображення, яке ЕХТ створює Стрільця А, означатиме, що Теорію загальної відносності Ейнштейна потрібно буде оновити. (Хоча зазвичай погана ідея робити ставку проти Ейнштейна.)
Чорні діри та горизонт подій
Чорні діри - це в основному труп зірки. Коли дуже масивна зірка згорає через усе своє паливо, вона руйнується в надзвичайно щільну точку, або особливість. Чорна діра має неймовірно потужний гравітаційний тяг, який тягне до себе газ і пил. Раз на кожні 10000 років Стрілець А навіть споживає зірку.
Горизонт події - як оболонка навколо чорної діри. Як тільки будь-яка матерія - або навіть світло - досягне горизонту подій, це закінчиться. Чорна діра зростає в розмірах, оскільки вона споживає матерію, і горизонт подій також розширюється.
Стрілець А, наша власна супермасивна чорна діра (SMBH), є масовою. Він має масу в 4 мільйони разів більше, ніж Сонце. Але навіть так, він не такий великий порівняно з іншими SMBH. Інший SMBH у проекті EHT набагато більший, в масі в 7 мільярдів разів більший, ніж у Сонця.
EHT створить зображення горизонту подій, вивчаючи область навколо чорної діри. З матеріалом щось трапляється, коли він потрапляє в чорну діру. Він утворює накопичувальний диск з закрученим газом і пилом, які в основному є утримуючими, поки він не засмоктується в яму. Цей матеріал прискорюється до релятивістських швидкостей, що означає близьку до швидкості світла. Коли це відбувається, матеріал перегрівається, і він випромінює енергію.
Але чорна діра гравітаційно настільки потужна, що вона вигинає це світло у явищі, званому гравітаційним лінзуванням. Ця лінза створює темну область, яку називають тінню чорної діри. Згідно теорії, горизонт подій повинен бути приблизно в 2,5 рази більший від тіні. Отже, як тільки вчені мають зображення тіні, вони знають розмір горизонту події. Розмір горизонту події пропорційний масі чорної діри. Так, у випадку Стрільця А він повинен мати діаметр близько 24 млн км (15 млн миль).
Тож не буде жодної фотографії самої чорної діри, але будуть зображення тіні, яку чорна діра кидає. Науково, це великий стрибок у нашому розумінні чорних дір. І якщо є сумніви щодо існування чорних дір, зображення тіні дасть вагомі докази того, що чорні діри справді там.
EHT та реактивні літаки
Незважаючи на величезні розміри Стрільця А, на небі він крихітний. Це занадто мало, щоб бачити один телескоп. Ось чому було впроваджено EHT. Він поєднує в собі 7 окремих радіотелескопів по всьому світу в один великий віртуальний телескоп, використовуючи методику під назвою "Інтерферометрія" дуже довгої базової лінії (VLBI), що добре знайоме мешканцям астрономії. Віртуальний телескоп має набагато більшу потужність, ніж роздільна здатність, і дозволяє астрономам вивчати місцевість поблизу Сгр. A.
Протягом тижневого періоду в квітні 2017 року команда EHT вказала всі сім областей на Sgr A, і сім атомних годин фіксували терміни надходження сигналів на кожен телескоп. Вивчаючи та комбінуючи сигнали, вчені можуть створити картину Sgr A. Це трудомісткий процес, який триває.
Енергійні струмені, що витікають із сусідньої чорної діри, представляють особливий інтерес для дослідників. Матеріал, що крутиться навколо чорного отвору, накопичувальний диск нагрівається до мільярдів градусів. Деякі з них потрапляють у чорну діру, але не всі.
Енергійні струмені - це та частина, яка уникає накопичувального диска. Вони подорожують із близькою швидкістю світла протягом десятків тисяч світлових років. Вчені хочуть дізнатися про них більше.
Якщо мова йде про Сгр. A, ми не знаємо, чи є струмені. В останні кілька десятиліть вона не була дуже активною, тому може бути і струменів. Але якщо вони там, EHT прийме там радіосигнали. Тоді ми можемо отримати відповіді на деякі основні питання щодо струменів:
- Як вони починаються?
- Як вони прискорюються до релятивістських швидкостей?
- Як вони залишаються чітко зосередженими?
- З чого саме вони виготовлені?
Чи в смутці теорія загальної відносності Ейнштейна?
Напевно, ні. Але є шанс.
Більшість нашої Сонячної системи - це досить прозаїчне, робоче місце. І саме звідси походить більшість наших спостережливих доказів, що підтверджують загальну відносність. Але регіон, що оточує чорну діру, не є нормальним сусідством.
Умови там екстремальні. Інтенсивна сила тяжіння, перегріті струмені матеріалу, що рухаються зі швидкістю світла, і горизонт події. Що стосується загальної відносності, то мова йде переважно про гравітацію та світло.
Загальна відносність передбачає, що сила тяжіння чорної діри буде кривою простору часу і притягуватиме все до неї, включаючи світло. Дані, зібрані EHT, забезпечать вимірювання цього явища, яке можна порівняти з прогнозами Ейнштейна. Якщо дані збігаються з прогнозами, Ейнштейн знову виграє.
Загальна відносність дає ще одне передбачення: тінь, відкинута накопичувальним диском, повинна бути круглою. Якщо вона не кругла і більше яйцеподібна, то формули в загальній відносності не є абсолютно точними.
Джон Уордл - астроном, який вивчає чорні діри десятиліттями, ще тоді, коли вони були лише теоретичним конструктом. Він активно бере участь у проекті EHT. Уордл вважає, що Загальна відносність витримає це випробування, і що Ейнштейн знову переможе. Але якщо загальна відносність не зможе цього випробування, ми опинимось у дуже складній та дивній ситуації.
"Тоді ми опинимося в суворій прямій куртці, оскільки ви не можете внести зміни, які зіпсують всі інші біти, які спрацьовують", - сказав Уордл. "Це було б дуже захоплююче".
- Прес-реліз університету Брандейса: "Як виглядає чорна діра?"
- Телескоп "Горизонт події"
- Запис у Вікіпедії: Інтерферометрія
- Запис у Вікіпедії: Горизонт подій
