27.04.2017 | Йоханн Гролле | Перевод: Владимир Широков

Кольцо Эйнштейна

Виртуальный телескоп размером с планету сделает снимок черной дыры в центре Млечного Пути. Эти фотографии могут опровергнуть теорию относительности

Обсерватория «Альма», находящаяся в чилийской пустыне Акатама, – самое дорогое наземное астрономическое сооружение в мире: затраты на строительство составили 1 млрд евро Фото: ESO⁄C.Malin

Международный научный проект «Телескоп горизонта событий» объединил восемь обсерваторий, находящихся на разных континентах, чтобы имитировать телескоп планетарных масшатбов. Ученые задались целью сделать «портрет» черной дыры, который позволит изучать ее и ответить на вопрос, как ее гравитационное поле влияет на галактику.

Представьте, что, находясь на Земле, вы пытаетесь сфотографировать апельсин на поверхности Луны. Или хотите различить год выпуска монеты достоинством один цент на острове статуи Свободы, не покидая атлантического побережья Франции. Что-то подобное задумали ученые-астрономы, которые, настроив телескопы на черную дыру в центре Млечного Пути, рассчитывают получить снимки доселе невиданной резкости.

Виолетта Импеллидзери из чилийской обсерватории «Альма» тоже примкнула к группе дерзких астро-фотографов. Взволнованная итальянка сидит перед мониторами в аппаратной. «Ночь обещает выдаться ясная, – радуется она. – Остается только дождаться отмашки из Массачусетса».

Ровно в 17 часов, как было условлено, поступает долгожданный сигнал. В кембриджском «центре управления проектом» решают, что на всех станциях – благоприятные метеорологические условия. Восемь телескопов на разных материках дружно направят мощные радиоантенны на едва заметную точку на небосклоне.

Импеллидзери и ее коллеги в аппаратной посреди пустыни Атакама управляют одним из наиболее впечатляющих телескопов. Это самый дорогой наземный астрономический комплекс, затраты на его создание превысили €1 млрд. Он состоит из 66 огромных параболических антенн, которыми современные звездочеты могут управлять, не покидая аппаратной, расположенной на 2000 м ниже плато Чайнантор. Этой ночью супертелескоп превратится в ничтожно малую часть поистине гигантского комплекса, масштабы которого соответствуют размерам нашей планеты: еще семь радиотелескопов, расположенных на Гавайских островах и в Испании, в Аризоне и на Южном полюсе, сольются с «Альмой» в исследовательском экстазе и превратятся в один виртуальный мегателескоп (см. карту). Внимание группы ученых приковано к неприметному пятнышку в созвездии Стрельца. Они рассчитывают получить снимки, в тысячу раз более четкие, чем сделанные космическим телескопом «Хаббл».

Звездная пыль

Зона правее и выше натянутого лука Стрельца издавна завораживает астрономов. Там, полагают они, под покровом облаков газа, пыли и плазмы таится самый зловещий и загадочный объект в нашей Галактике. Черная дыра размерами не больше Солнца «весит» примерно в четыре миллиона раз больше земного светила и алчно поглощает материю. Все, что приближается к ней на небезопасное расстояние, перемалывается и разрывается на куски чудовищным гравитационным притяжением. Вещество, которое не успевает превратиться в излучение, исчезает в ее недрах. Оказавшись под так называемым горизонтом событий, оно попадает в мир, недоступный для науки. Пути назад нет.

Астрономы убеждены, что в центре многих, а возможно, и всех галактик находится такая сверхмассивная черная дыра в миллионы и даже миллиарды солнечных масс. Вопрос в другом: как эти монстры рождаются, «питаются», и насколько велико их влияние на судьбу материнской галактики? Чтобы найти ответы, ученые давно присматриваются к черной дыре, зияющей в центре Млечного Пути. Но исследовать ее очень непросто. Во‑первых, мешают галактическая пыль и раскаленная плазма; во‑вторых, природа черных дыр такова, что наружу не может вырваться даже свет. Как сфотографировать объект, окутанный облаками и к тому же совершенно невидимый?

Портрет черной дыры

Астрономы любят неразрешимые проблемы, и потому они с радостью принялись за новую. Первым делом ученые стали искать те частоты, которые позволят заглянуть за пелену облаков пыли и плазмы. Удача им улыбнулась в радиоволновом диапазоне: волны длиной 1,3 мм не поглощаются ни земной атмосферой, ни галактической пылью. Плазма, окутывающая тяжелую дыру, тоже оказалась достаточно проницаемой для этого вида радиоизлучения. Более того, излучение, испускаемое горячей плазмой, под воздействием силы гравитации черной дыры искривляется, в результате чего появляется характерная круглая тень.

Таким образом, ученым оставалось только сфотографировать объект Стрелец А* (Sgr A*) при помощи подходящего телескопа на длине волны 1,3 мм. Но и здесь они столкнулись с очередным препятствием: чтобы рассмотреть крохотный объект, расположенный в 26 тыс. световых лет, в мельчайших деталях, необходим телескоп размерами с Землю.

Астрономов не остановило и это. Они договорились задействовать радиоантенны сразу на нескольких континентах, чтобы затем с помощью хитрых алгоритмов просчитать изображение, которое могло бы получиться на «тарелке» диаметром, равным всей площади такого виртуального комплекса. Проект получил название «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT).

Инициаторы EHT-проекта особенно горды тем, что им удалось привлечь к сотрудничеству «Телескоп Южного полюса». Правда, за высокое разрешение им придется расплачиваться немалым терпением: объем данных настолько велик, что передавать его в два вычислительных центра EHT – в Институте радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне и в Обсерватории Хейстек в Массачусетсе – по каналам спутниковой связи не станут. Ученым придется ждать антарктической весны и, соответственно, возобновления авиасообщения с Южным полюсом.

Для подготовки «Телескопа горизонта событий» потребовалось немалое дипломатическое мастерство. Команде проекта пришлось внести изменения в режимы работы всех восьми телескопов. «Вместо того чтобы спроектировать новый комплекс, мы перестроили имеющиеся, – говорит глава EHT Шепард Доэлман. – В частности, они были дооборудованы прецизионными атомными часами, которые впоследствии позволят наложить друг на друга данные измерений».

Всего наблюдения в рамках проекта продолжались пять ночей, тщательно выбранных Доэлманом. Каждый день он сопоставлял метеосводки и технические отчеты, чтобы не прогадать и получить максимально чистые результаты. Так, 4 апреля гавайские коллеги рапортуют о «безупречной фазовой стабильности», непогода вопреки более ранним прогнозам обходит Мексику стороной, и только на Южном полюсе есть проблемы: «Мы еще не закончили юстировку луча». «Что ж, с этим они справятся», – говорит Виолетта Импеллидзери. Она радуется, что наконец можно приступить к собственно работе. Сотрудники телескопа «Альма» в аппаратной запускают программу для управления тщательно продуманной хореографией ночного танца антенн на плато.

Прежде чем астрономы смогут увидеть, что же такое они сфотографировали, пройдет еще немало времени. По плану жесткие диски из Антарктики прибудут только осенью, и все данные сложатся в единую картину не раньше начала следующего года.

Однако физик из Аризонского университета Псалтис знает, как она будет выглядеть. Он использовал один из самых мощных компьютеров в мире, чтобы создать симуляцию плазмы вокруг черной дыры Sgr A*. На модели виден вихрь, как будто нарисованный размашисто-грубым мазком. Чтобы рассмотреть результат своих расчетов со всех сторон, Псалтис использует графические технологии индустрии компьютерных игр. «Мы не знаем, под каким углом увидим эту картину», – объясняет он, с гордостью демонстрируя, как по одному мановению его руки воображаемая камера облетает вокруг черной дыры.

Тем не менее даже беспрецедентного разрешения «Телескопа горизонта событий» недостаточно, чтобы получить изображение всех деталей, присутствующих на модели Псалтиса. Снимок EHT будет напоминать расплывчатое кольцо, с одной стороны (там, где вещество с невообразимой скоростью устремляется в сторону наблюдателя на Земле) ослепительно яркое, с другой (где оно движется в противоположном направлении) – едва светящееся. Фотография самой черной дыры должна представлять собой темный диск в таком обрамлении.

Фото: ESO⁄M.Kornmesser
Излучение, испускаемое горячей плазмой, под воздействием силы гравитации черной дыры искривляется, в результате чего появляется характерная круглая теньФото: ESO⁄M.Kornmesser

Прав ли Эйнштейн?

С тех пор как 44 года назад теоретики предсказали существование такого кольца, физикам не терпелось его изучить. Это даст им возможность проверить общую теорию относительности Эйнштейна в той части, в которой она вполне может проявить ограниченность: речь идет о гравитационном поле черной дыры.

По Эйнштейну, видимая тень должна иметь идеально круглую форму, существенные отклонения от которой будут указывать на крах общей теории относительности. И тогда у физиков наконец появится точка приложения усилий, чтобы вырвать у гравитации ее последние тайны.

Но даже если эти надежды не оправдаются и правота Эйнштейна в очередной раз подтвердится, по снимкам EHT астрономы смогут судить о ряде волнующих подробностей. Особенно их интересуют так называемые джеты, выбрасываемые сверхмассивными черными дырами при поглощении материи. Высокосфокусированные пучки вещества, длина которых может составлять тысячи световых лет, относятся к наиболее удивительным феноменам космоса. Они испускают самое мощное излучение во всей Вселенной и тем самым требуют внимания к себе. До сих пор науке неизвестно, как они возникают. Многое свидетельствует в пользу предположения, что джеты непосредственно связаны с «трапезами» черной дыры. Но, поскольку Стрелец A* сейчас «на голодном пайке», трудно сказать, какой информацией он сможет поделиться с участниками проекта.

Более полезным в этом отношении может оказаться M87 – второй объект, на который ученые тоже нацеливают свои антенны. Галактика эллиптической формы в созвездии Девы находится в 2000 раз дальше от Земли, чем центр Млечного Пути. С другой стороны, черная дыра там больше чем в тысячу раз тяжелее и «весит» около 6 млн масс Солнца. Поэтому ее тень на снимке может оказаться немногим более компактной, чем тень Стрельца A*.

M87 относится к числу наиболее активных «соседок» Млечного Пути: ее черная дыра посылает во Вселенную особенно величественные и мощные джеты, происхождение которых исследователи хотят объяснить уже в ближайшие апрельские ночи.

В ходе последующих кампаний EHT-группа может обратить свой виртуальный взор и на другие небесные объекты, такие, как пульсары и магнетары. Квазар OJ 287 тоже вызывает у них интерес. Он находится слишком далеко от Земли, поэтому получить различимый снимок его тени едва ли удастся, зато OJ 287 обладает другой интересной особенностью: вариации в его свечении обусловлены сразу двумя черными дырами, период обращения которых вокруг общего центра масс составляет 12 лет. «Телескоп горизонта событий» с его планетарным размахом может дать ответ на вопрос, как гироскопическое движение двух монстров искажает пространство–время.

Не приходится сомневаться, что обе «звезды» нынешней EHT-кампании в ближайшие годы будут оставаться в эпицентре научного интереса. «Есть еще столько вещей, которые нам предстоит узнать о Sgr A* и о M87», – говорит физик Майкл Джонсон из Гарвардского университета. Особенно его радует, что рано или поздно фотографии можно будет превратить в фильмы. Ведь Стрелец А* отличается большой динамичностью. На ближайших орбитах материя вращается вокруг этого объекта всего за полчаса. Поэтому не исключено, что однажды мы всего за одну ночь сможем запечатлеть на видео, как бушующая плазма танцует вокруг своей тени. «Я хочу увидеть жизнь и дыхание черной дыры», – признается Джонсон.

КОНТЕКСТ

19.05.2017

Алхимия вечной жизни

Ученые вплотную подошли к решению проблемы продления жизни – первый человек, который доживет до тысячи лет, уже появился на свет, утверждают они

17.03.2017

Молнии в мозгу

Исследователи учатся читать мысли и манипулировать воспоминаниями. Успешные опыты на мышах доказывают, что такое возможно и с человеческим мозгом

08.03.2017

Пир звездных чудовищ

Наблюдая за черной дырой, которая уже 10 лет подъедает останки погибшей звезды, ученые надеются ответить на вопрос, как зародились галактики и сами черные дыры

Спасибо, что читаете нас!
Давайте станем друзьями:

Спасибо, не сейчас

24СМИ