Первое фото черной дыры было возможно только с помощью телескопа, чья виртуальная тарелка размером с всю Землю - Event Horizon Telescope (EHT). В интервью Антон Зенсус из Радиоастрономического института им. Макса Планка объясняет, как работает эта сеть телескопов и как стала возможной новаторская запись черной дыры в центре галактики M 87.
Мистер Зенсус, как долго работает проект Event Horizon Telescope?
Это официально началось два года назад. Но подготовка к нему шла не одно десятилетие. А если включить методическую подготовительную работу и пионерскую работу, то и 20 лет. За это время мы существенно улучшили качество наших измерений и, таким образом, уже исследовали важные научные вопросы об активных галактиках, таких как М 87, например о природе гигантских струй материи из их центральных областей. С этой точки зрения мы достигли кульминации долгого развития.
Вы сказали, что EHT ведет наблюдения всего два года. Удивил ли вас успех спустя столь короткое время?
Да, конечно! Но было также удивительно, что так много вещей сработало сразу. В конце концов, Телескоп Горизонта Событий состоит из сети из восьми различных телескопов. Один из таких телескопов под названием ALMA расположен на высоте 5000 метров в чилийской пустыне Атакама и состоит из 66 отдельных антенн. Чтобы иметь возможность интегрировать эту систему в EHT, нам пришлось соединить все отдельные антенны вместе с помощью программного обеспечения. Это «фазирование» было для нас огромной технической задачей и имело важное значение для EHT. Погодные условия тоже сыграли нам на руку, они с самого начала были неплохими.
Как вы себе представляете наблюдение с помощью восьми телескопов?
Ключевое слово - интерферометрия с очень большой базой, также известная как интерферометрия со сверхдлинной базой или сокращенно РСДБ. Мы наводим несколько радиотелескопов, находящихся далеко друг от друга, на один и тот же небесный объект. Полученные сигналы объединяются в специальном компьютере - корреляторе. Таким образом, получается виртуальный телескоп. Это обеспечивает резкость изображения, соответствующую резкости одиночной антенны с диаметром расстояния между самыми дальними антеннами, в случае Телескопа Горизонта Событий это около 8000 километров. Представьте: если бы ваши глаза были такими же острыми, как у EHT, вы теоретически могли бы читать нью-йоркскую газету из Бонна. Однако EHT видит не оптический свет, а радиоизлучение с длиной волны чуть больше миллиметра.
Каким образом ваш институт участвует в проекте Event Horizon Telescope?
EHT включает в себя 12-метровый телескоп APEX, которым управляет наш Институт радиоастрономии им. Макса Планка совместно с Европейской южной обсерваторией и Шведской космической обсерваторией Онсала. Он находится недалеко от сайта ALMA. Общество Макса Планка также участвует в 30-метровой антенне IRAM на Пико Велета в испанской Сьерра-Неваде, а в будущем - в телескопе NOEMA недалеко от Гренобля. Всего в EHT работают тринадцать партнерских организаций со всего мира. Наконец, в нашем институте работает суперкомпьютер, который калибрует и оценивает данные. На самом деле генерируются огромные объемы данных, и каждый из отдельных телескопов EHT предоставляет около 350 терабайт в день.
Вы знали, что искали, а именно тень черной дыры. Теоретические соображения, наверное, сыграли большую роль?
Да, теоретическую основу обеспечивает общая теория относительности Эйнштейна от 1915 года. Астрономы также впервые наблюдали джеты около ста лет назад. Это потоки газа, которые выбрасываются из центров активных галактик и должны генерироваться при чрезвычайно высоких энергиях. С 1970-х годов мы подозревали, что за ними стоят сверхмассивные черные дыры. Теория относительности предсказывает, что массивный объект может отражать свет. Английский астроном Артур Эддингтон измерил это явление во время полного солнечного затмения, когда он заметил небольшое смещение положения звезд вблизи солнечного диска. Между прочим, это было 29 мая 1919 года, сто лет назад. Круг замкнулся.
Черная дыра в центре Млечного Пути намного ближе, чем в галактике Мессье 87. Почему EHT все еще был успешным в M 87?
Наш Млечный Путь с гордостью раскрывает свои последние тайны (смеется). Но, кроме шуток, есть, конечно, и вполне осязаемые причины: во-первых, сердце нашего Млечного Пути скрыто в густом тумане заряженных частиц. Это приводит к мерцанию радиоизлучения и, как следствие, к нечеткому изображению центра Млечного Пути. Но я уверен, что мы еще сможем решить эту проблему. С другой стороны, хотя галактика M 87 находится примерно в 2000 раз дальше, черная дыра в ее центре также в 1000 раз массивнее, чем в нашем Млечном Пути. Большая масса компенсирует большее расстояние, поэтому тень от черной дыры в M 87 по-прежнему кажется вдвое меньше тени от гравитационной ловушки в нашем Млечном Пути.
А как насчет тени черной дыры?
Черная дыра отклоняет свет гораздо сильнее, чем наше Солнце, и теория относительности предсказывает, что вокруг темного пятна, где расположена черная дыра, должно наблюдаться кольцо излучения. Некоторые называют это темное пятно - несколько небрежно - тенью черной дыры.
Но откуда берется свет, черные дыры черные?
Согласно общей теории относительности, черные дыры имеют так называемый горизонт событий. Он описывает область, в пределах которой ничто не может ускользнуть от черной дыры. Следовательно, горизонт событий, а также область внутри него должны казаться нам черными. Теория состоит в том, что за пределами горизонта событий, притянутых массивной массой, находится огромное количество газа, вращающегося в вихреподобной дисковой структуре с чрезвычайно высокими скоростями. Газ нагревается и начинает светиться. Кроме того, релятивистские частицы, то есть те, которые движутся в магнитном поле почти со скоростью света, испускают синхротронное излучение. Итак, вокруг черной дыры она «светится», а сама дыра, как следует из названия, кажется черной. Мы наблюдали эту черноту.
Что ты прочитал из тени?
Честно говоря, мы были поражены тем, насколько хорошо наблюдаемое темное пятно соответствовало структуре, предсказанной нашим компьютерным моделированием. Из самой тени, например, можно вывести массу, вращение и магнитное поле черной дыры. Для этого на компьютере было выполнено 60 000 различных симуляций черных дыр, которые сравнивались с результатами EHT.
Как это успешное наблюдение продвинет астрономию?
Мы находимся в начале этапа, в котором нас ждет много новых идей. Таким образом, мы скоро сможем безопасно исключить альтернативные объяснения черных дыр, такие как бозоны или гравитационные звезды. Мы лучше поймем галактические центры и получим полную картину образования и эволюции активных галактик. И мы будем наблюдать пульсары вблизи черной дыры в нашем Млечном Пути и, таким образом, сможем проверить общую теорию относительности. Потому что черные дыры - идеальная лаборатория для измерений в условиях сильной гравитации.