Получено фото черной дыры в космосе с помощью сети телескопов на различных континентах Земли

За последние годы цитируемость такого космического экзотического объекта как черная дыра небывало растет начиная от научных до псевдонаучных источников. Только самый ленивый и отрешенный человек не слышал о существовании некой черной дыры где-то далеко в космическом необъятном пространстве. Здесь все, как обычно, чем девитантнее уровень у «знатока», тем он больше (все) знает о физической природе черной дыры, в то время как у астрофизиков с течением процесса познания этого объекта все больше вопросов, идущими вразрез с земными законами физики.

Конечно, сегодня еще рано говорить о физической природе черной дыры в виду ее неимоверной удаленности от нашей планеты. Но уже сегодня современные оптические системы в сочетании с мощными компьютеризованными вычислительными центрами способны наложить собранный срез массива данных для образования визуального представления — в частности уже опубликованного фото черной дыры в центре галактики M87.

• Что позволило увидеть то, что не обладает по своей природе светом?
• Разрешение проблемы угловых разрешений
• Объекты наблюдения — их масса и удаленность от Земли
• Сверхчувствительность антенн Event Horizon Telescope
• Что дальше?

Черные дыры это космические объекты, которые обладают огромной массой при их относительно компактных размерах. Они оказывают влияние на все вещества, которые попадают в область их влияния, искривляя пространство-время и повышая температуру до сверхвысоких значений.

Так случилось, что в преддверии Дня космонавтики 2019, стал известен доклад астрофизиков масштабного проекта Event Horizon Telescope (сокр. EHT) о получении впервые в истории человечества визуализации или своего рода фото отражения (тени) черной дыры в центре галактики M87.

Теория существования черных дыр начинает наполняться практическими доказательствами. В процессе наблюдения обсерваториями с разных точек планеты регистрируется активность, источником которых являются всплески во время слияния черных дыр. В рамках существующих на Земле оптических систем ведется сбор массива данных в процессе наблюдения за самой доступной земным астрофизикам черной дыры с ее центром в Млечном пути.

Что позволило увидеть то, что не обладает по своей природе светом?

Само по себе название «черная дыра» говорит об ее отсутствии в природе спектра видимого света, поэтому вся визуализация была построена на основе излучений, о природе и методах их фиксаций мы попытаемся объяснить далее.

В результате вращательного момента спирали из аккреционного диска на черную дыру попадает перегретое вещество, которое в свою очередь пораждает излучение, которое и фиксируется оптическими земными приборами как свечение.

В черной дыре фигурирует такое понятие, как горизонт событий с гравитационным радиусом, который представляет собой границу области громадного гравитационного притяжения, покинуть которую не могут даже объекты, летящие со скоростью света, включая и сами кванты света.

Так вот, внутри возникающего свечения можно наблюдать черную область, которое несколько шире, чем горизонт событий — это и есть визуальное представление отражения или тени черной дыры. Данная визуализация может изменяться вследствие эффекта искажения разноориентированного расположения газового диска. Данный эффект ожидаем из-за описанного в теории относительности искривления фотонных траекторий.

Рисунок художника. Прохождение фотонов на границе черной дыры. Гравитационное искажение и захват светового потока горизонтом событий

Однако, очень сильно прикована вниманием орбита вокруг черной дыры, носящая стационарный характер. Если говорить о масштабах орбиты, то в данных случаях подразумевается величины расстояний в несколько гравитационных радиусов, который равен сферически симметричной чёрной дыры, также его называют радиусом Шварцшильда. Соответственно чем больше гравитационный радиус, тем выше масса черной дыры.

Масштабы сверхмассивных черных дыр могут быть сравнимы со всей солнечной системой. Если говорить об удаленности, то расстояния от Земли до большинства черных дых исчисляются миллионами световых лет, наблюдение за которыми невозможно из-за отсутствия так называемого огромного углового разрешения. Но как показал нашумевшее анонсирование фотоматериалов черной дыры в центре галактики M87 в отношении разрешения проблемы углового разрешения был совершен огромный прорыв. Каким же образом это было достигнуто?

Разрешение проблемы угловых разрешений

Побороть проблему углового разрешения удалось при сопряженной работе телескопов следующих двух проектов GMVA и EHT, которые используют технологию интерферометрии, а точнее радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой, при которой приемные элементы, в данном случае телескопы, находятся на межконтинентальных расстояниях друг от друга.

Управление каждым отдельной базой РСДБ интерферометра осуществляется децентрализованно без прокладки коммутационных магистралей связи. На каждом независимо управляемым РСДБ собирается огромный массив данных для последующей корреляционной машинной обработки.

Таким образом сведенные в одну базу обработанные срезы данных в обсерваториях мира позволили получить рекордные разрешения в пределах угловой миллисекунды. Два проекта GMVA и EHT были выбраны из-за необходимости ведения наблюдения на разных волнах.

Объекты наблюдения — их масса и удаленность от Земли

Итак, перед дуэтным проектом GMVA и EHT предстали следующие объекты наблюдения. Первая — сверхмассивная черная дыра, расположенная в галактике M87 и удаленная от нашей планеты на расстояние 50 млн. световых лет. Данная черная дыра признана самой массивной из всех известных человечеству — 6 млрд. солнечных масс. Вторая — сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей галактики координата которой связана с радиоисточником Стрелец A (сокр. SGR A). Удаление от планеты Земля составляет 26 тыс. световых лет, а ее сверхмассивность — 4,3 млн. солнечных масс. Объекты наблюдения имеют существенное отличие как в удаленности от Земли, так и в их массах относительно Солнца. Расстояние черной дыры в галактике M87 превышает в 2000 раз черную дыру SGR A.

Сверхчувствительность антенн Event Horizon Telescope

Здесь важно уяснить, что в рамках такого гигантского удаления исследуемых объектов от Земли соответствует крайне малой мощности их радиоисточников. Если рассмотреть сигнал в рамках радиодиапазона от 0 до 1000ГГц, то суммарная мощность излучения Стрелец A составляет примерно 2 × 10^28 Вт. Но если выделить на Земле лишь только радиодиапазон для Event Horizon Telescope, то спектральная плотность мощности излучения падает до ничтожно малых — 3 Янских, что в сравнении с обычным телевизионным сигналом составляет на 10 порядков ниже.

Обычная антенна Event Horizon Telescope (EHT) имеет диапазон приема 8 ГГц при ее диаметре в 10 м. Грубый расчет показывает, что при величине мощности EHT антенн в 10^-16 Вт, принимаемый их сигнал слабее обычного телевизионного в миллард раз!

Были ли получены до настоящего времени какие-либо изображения? Да, в 1979 году астрофизик Жан-Пьер Люмине получил изображение на основании математических расчетов.

Полученные расчеты были «скормлены» компьютеру IBM 7040, в результате чего на картинке можно было увидеть смоделированное представление очертания черной дыры.

Нынешнее же изображение получено астрономами (астрономами) в результате совместной работы двух проектов GMVA и EHT, объединяющие в себя многолчисленные телескопы, расположенные на таких континентах как: Южная Америка, Северная Америка, Антарктида, Европа, Гавайи. Стоит подчеркнуть, что изображение носит уже не математически смоделированное фото, а визуальное отображение оптических систем — телескопов.

Что дальше?

Наивно полагать, что весь этот гигантский фронт работы необходим был лишь для получения контуров тени черной дыры на фоне красивых излучений. Исследуемый массив данных поможет глубже изучить процессы, протекающие в аккреционном диске, а также узнать детальнее его структуру. Огромное внимание ученых приковано магнитным полям, создаваемым аккреционным диском, и рождающие в свою очередь турбулентные потоки, тормозящие частицы вблизи черных дыр. И в заключении можно отметить, что подобные исследования уже на экспериментальном уровне могут проверить еще раз на прочность общую теорию относительности Эйнштейна.