Интерферометр получает достаточно сложную цифровую картину интерференционных линий, из которой математическими методами и восстанавливается то изображение, которое нам показывают.
Фото тени чёрной дыры в центре галактики М87, представленное первым
Сравнение размеров горизонтов событий чёрных дыр M87 и Стрелец A*. Чёрная дыра М87, по расчётам, имеет массу 6,5 млрд. Солнц, Стрелец A* – около 4,5 млн Солнц
ЧД в галактике М87, изображение тени которой было опубликовано в 2020 году, в 1000 раз больше ЧД, находящейся в центре нашей галактики, но она и в 1000 раз дальше. Поэтому получается примерно одно и то же.
К слову сказать, наблюдения и ЧД в галактике М87 и ЧД в центре Млечного Пути были сделаны в 2017 году. Но почему же тогда специалисты сначала работали над получением изображения тени ЧД в другой галактике? Всё дело в сложности этого процесса.
Помимо того, что ЧД в галактике М87 находится в области, которая меньше заслонена пылью и газом, она, напомню, в 1000 раз больше. Из-за этого обращение звёзд и светящихся облаков вокруг неё происходит в течение месяцев. За это время яркость не успевает сильно измениться.
Фото тени чёрной дыры в центре галактики Млечный Путь
Вокруг нашей ЧД вращение происходит быстрее, из-за чего интерференционная картина постоянно меняется. Поэтому с точки зрения вычислений эта задача значительно сложнее и занимает гораздо больше времени.
Во время релиза фотографии тени ЧД в центре нашей галактики довольно подробно рассказывалось, как все изображения делились на четыре группы. Каждую обрабатывали отдельно, чтобы убрать шумы. В результате получили одно изображение в каждой группе. А уже из них – средневзвешенное изображение.
То, что было представлено общественности, является радиоизображением. Есть ли разница между изображением, полученным путём наблюдения длин волн в видимом и радиодиапазонах? Нет. И световые, и радиоволны – это электромагнитные волны. Просто из-за разницы во взаимодействии с веществом мы по-разному их фиксируем. Так что да, нам показали именно фотографию тени чёрной дыры.
Почему снимки мутные?
В настоящее время в коллаборацию EHT входят всего восемь телескопов на Гавайях, в США, Испании, Мексике, Чили и на Южном полюсе. Грубо говоря, это как если бы было всего несколько пикселей.
При учёте вращения планеты окно наблюдения становится шире, хоть и ненамного. Поэтому, несмотря на объём данных в миллионы гигабайт, девушка, работавшая над систематизацией данных, по праву называла его «скудным, зашумленным и ограниченным».
Представленные изображения были получены сетью телескопов, способных захватывать длину волны вплоть до 1 мм. Цель проекта сначала должна спуститься до 0,87 мм (что позволит повысить четкость будущих снимков на тринадцать процентов), а затем выйти за пределы размеров планеты, подключив космические телескопы.
Подтверждена ли общая теория относительности?
Нельзя не сказать об этом в рамках данной книги. Да, полученные изображения практически полностью повторяют модельные изображения, полученные на основе ОТО. Но наука тем и хороша, что всё и всегда подвергает сомнению. Доказать, что только чёрная дыра может выглядеть вот так, достаточно непросто. Почти наверняка будут выходить публикации с различными альтернативными версиями.
Поэтому – да, на сегодня это самое очевидное доказательство существования чёрных дыр. Но мы находимся лишь в начале пути. Нас ждут изучение их свойств, последующие проверки ОТО, её работы и, вероятно, квантование гравитации.
Подтверждение теории относительности предсказанием Стивена Хокинга о чёрных дырах
Подходя к завершению этого раздела, нельзя не упомянуть работу (Maximiliano Isi, 2021), объединяющую гравитационные волны и чёрные дыры. Анализ впервые зарегистрированных в 2015 году гравитационных волн (событие получило наименование GW150914) подтвердил теорему Хокинга о площади поверхности горизонта событий чёрной дыры. Теорема гласит, что эта площадь может только увеличиваться (с оговоркой, но об этом ниже).
Эта теорема, предложенная Стивеном Хокингом ещё в 1971 году, полностью согласуется и со вторым законом термодинамики, который постулирует, что энтропия может только возрастать, и с общей теорией относительности, которая, таким образом, получила ещё одно подтверждение.
Согласно одной из гипотез (теперь уже опровергнутых), слияние двух чёрных дыр может приводить к образованию третьей, с меньшей площадью горизонта событий из-за увеличения массы, которая и «сжимала» его. Это утверждение выглядело вполне логично, но противоречило классической физике и ОТО.
Дело в том, что в рамках ОТО чёрные дыры могут лишь набирать массу, а значит, как постулировал Хокинг, их горизонты событий должны лишь расти.
Математически теорема о площади подтверждается, но её трудно подтвердить наблюдениями. Тут-то и помогли гравитационные волны. GW150914. Это был сигнал от слияния двух чёрных дыр, которые образовали одну большего размера, сигнал от которой обнаружили в 2019 году. Последний использовали для вычисления массы и спи́на вновь образованной чёрной дыры. С помощью полученных данных и были вычислены площади горизонтов событий всех трёх объектов.
Благодаря подтверждению теоремы Хокинга мы получили новый инструмент для исследования этих загадочных объектов и проверки пределов нашего понимания Вселенной. Тем не менее у увеличения площади горизонта событий чёрной дыры есть предел, который был предсказан всё тем же Хокингом.
Согласно квантовой механике, которая, как все мы знаем, не очень хорошо согласуется с классической физикой, Хокинг предсказал, что в течение очень долгого времени чёрные дыры должны терять массу в виде излучения чёрного тела (которое мы теперь называем излучением Хокинга), что в итоге должно приводить к крайне медленному, но всё-таки уменьшению горизонта событий.
Загадок ещё очень много, но мы настойчиво движемся вперёд в своём стремлении понять Вселенную.
Могут ли чёрные дыры перенести нас в другие миры?
Ну а совсем в заключение хотелось бы окунуться в научную фантастику. Чёрные дыры будоражат умы не только учёных, но и людей, не связанных непосредственно с наукой. Один из вопросов, который мало кого оставит равнодушным, такой: способны ли чёрные дыры переносить нас на огромные расстояния? Ведь они сильно искривляют пространство за счёт своей массы. Совсем экзотическая идея заключается в том, что чёрные дыры могут оказаться порталами в другие вселенные.
© NASA
Реальность, судя по всему, гораздо сложнее, а за пределами научно-фантастического мира падение в чёрную дыру – плохая идея.
Часто используемая аналогия – это сгибание листа бумаги. Крайние или любые другие точки этой линии можно соединить, изогнув лист. Понимание того, как эта аналогия работает во Вселенной, требует хотя бы небольшого погружения в теорию относительности применительно к гравитации. Давайте попробуем.
Важно понимать, что чёрная дыра – это не пустое пространство, а, скорее всего, место, где огромное количество материи помещается в крошечную область, называемую сингулярностью. Эта область бесконечно мала и плотна (тут есть разные варианты, но остановимся на этом).
По мере приближения к чёрной дыре скорость убегания (необходимая для того, чтобы избежать гравитации ЧД), возрастает. В какой-то момент скорость убегания превышает скорость света.
А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто не сможет покинуть чёрную дыру. Правда, есть одна лазейка: чёрная дыра не всасывает всё вокруг себя, как пылесос или слив в ванне.
Воздействие гравитации ЧД простирается только до её горизонта событий, радиус которого увеличивается по мере того, как всё больше материи попадает в чёрную дыру.
Что находится внутри горизонта событий? Это одна из самых больших загадок в астрофизике. Большинство учёных считают, что вся материя, попадающая в чёрную дыру, сжимается в точку с бесконечной плотностью.
Если бы вы упали в чёрную дыру, то, согласно общепринятым представлениям, ваше тело сначала растянулось бы под действием приливных сил, а затем сжалось в ничто, добавив массы чёрной дыре и увеличив радиус её горизонта событий. Затем вы будете выброшены во Вселенную в виде фотонов излучения Хокинга.
Небольшая по космическим меркам чёрная дыра, массой равной массе Солнца, испарится и превратится во всплеск гамма-лучей согласно расчётам за 1087 лет. При этом никакой информации о материи, попавшей некогда в чёрную дыру, не сохранится.
Когда чёрная дыра становится червоточиной?
Проблема заключается в том, что уравнения теории относительности «ломаются» о сингулярность чёрной дыры. Ведь она является царством квантово-механических эффектов, которые до сих пор никто не смог объединить с гравитацией. В итоге никто не знает, что представляет собой сингулярность.
Сингулярность, и без того нечто крайне странное, становится ещё более странной, если вспомнить, что во Вселенной не существует статичных объектов – всё вращается.
Если и сингулярность вращается достаточно быстро, она может приобрести форму кольца, а тут сегодняшняя наука вообще бессильна (Pau Figueras, 2016). Эта идея, кстати, неплохо обыграна в научно-фантастическом романе Стивена Бакстера «Кольцо» 1994 года.
Все эти предположения предположениями и останутся до тех пор, пока не будет разработана теория квантовой гравитации.
Более того, никто до сих пор ещё не наблюдал вещества, появляющегося из ниоткуда. Такое могло бы случиться, будь чёрные дыры червоточинами. Помимо всего прочего, одним из следствий существования червоточин является возможность путешествий во времени.
Тут, правда, следует отметить, что даже в теории относительности нет такого понятия, как «сейчас». Если вы из одной точки пространства отправитесь в другую, а затем будете возвращаться обратно, то можете прибыть раньше, чем отправились в своё путешествие. Здравствуйте, парадоксы!