На 10 апреля назначено сразу несколько научных пресс-конференций, — возможно, астрономы впервые получили изображение черной дыры, объекта с гравитационным полем такой силы, что его пределы не может покинуть даже свет. Хотя их существование в настоящее время признано почти повсеместно, но из-за влияния их гравитации на близлежащие объекты никто на самом деле их не видел.
Сами черные дыры — совершенно темные и лишены видимых очертаний. Гигантские черные дыры в центрах галактик еще и невероятно малы несмотря на то, что в них заключено вещество массой в миллионы, или даже миллиарды раз больше массы нашего Солнца. Еще более труднодоступными для наблюдения эти гиганты становятся из-за окутывающих их облаков пыли и газа. Но потоки сверхгорячего газа кружатся вокруг дыр, излучая радиоволны длиной волны около миллиметра, которые могут проникать в эти облака.
Два года назад международная команда ученых, известная как «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, или EHT), скоординировала работу восьми различных радиотелескопов по всему миру, чтобы попытаться увидеть сверхмассивную черную дыру в центре нашей галактики, известную как Стрелец А*, и еще одну в центре близлежащей галактики M87*. Они использовали технику, известную как интерферометрия, чтобы объединить данные с разбросанных по всему миру инструментов и получить такое изображение, как будто это единая антенна телескопа шириной со всю Землю. Тарелка такого размера необходима для того, чтобы увидеть детали объекта, который легко может поместиться на орбите Меркурия и находится на расстоянии 26 тысяч световых лет.
За пять ночей наблюдений они собрали 4 петабайта данных. Если представить, что в таком объеме хранилась бы музыка, записанная в формате MP3, ее воспроизведение заняло бы 8 тысяч лет. Последние два года команда занималась сопоставлением, калибровкой и интерпретацией данных, и теперь они готовятся показать нам результаты.
Если EHT получили изображение, на нем может быть запечатлена тень горизонта событий черной дыры, точка невозврата любого объекта, попадающего внутрь черной дыры, на фоне яркого вихря газа на орбите вокруг нее. Размер этой тени и форма вихря газа, отраженные гравитацией дыры, помогут подтвердить многие теории об этих загадочных объектах.
На этой неделе мы с нетерпением ждем, когда же нам покажут результаты, а пока журнал «Сайенс» побеседовал с человеком, который большую часть своей научной карьеры пытался выяснить, как могут выглядеть черные дыры. В феврале, в ожидании результатов EHT, Жан-Пьер Люминэ (Jean-Pierre Luminet) из Парижской обсерватории в Мёдоне, Франция, выпустил иллюстрированную историю изображений черной дыры, в которой зафиксированы десятилетия развития визуальных образов от рисунков пером и тушью до симуляции суперкомпьютеров и голливудских фильмов. Интервью было отредактировано для ясности и краткости.
Журнал Science: Что подтолкнуло вас в далеком 1978 году начать разрабатывать визуальный образ черной дыры?
Жан-Пьер Люминэ: Мне показалось заманчивым попробовать представить образ некого объекта, который по определению невидим, к тому же я всегда интересовался оптическими иллюзиями и искажениями пространства-времени, и, кроме того, раньше никому не приходило в голову рассчитать, как могло бы выглядеть реалистичное изображение черной дыры!
Вовсе нет, потому что перед написанием компьютерной программы с уравнениями я всегда стараюсь получить предварительное представление о геометрических аспектах. В данном случае простые геометрические рассуждения показали, что из-за гравитационного линзирования ни одна часть диска не может быть скрыта от глаз, даже его задняя сторона! А простые соображения относительно релятивистского вращения диска предполагали, что сильный доплеровский сдвиг вызовет большую асимметрию видимого потока.
Первое изображение, которое вы создали с помощью пера и чернил, было впечатляющим. Как отреагировали на него астрономы и публика?
Поскольку сам я тогда был очень молод, мой научный руководитель, у которого я тогда писал диссертацию, Брэндон Картер (Brandon Carter), помог моей работе получить известность, показав ее фотографию на собрании Королевского общества в Лондоне. После этого мне приходили запросы от изданий по всему миру, мое изображение напечатали в научно-популярных журналах, таких как «Сайентифик америкен» (Scientific American), «Скай энд телескоуп» (Sky & Telescope) и других, а также в монографиях других астрономов.
Вскоре астрономы поняли, что сверхмассивные черные дыры есть в центре некоторых, если не всех, галактик. Какие трудности возникли в связи с этим?
Сложность визуализации пространства вокруг массивных черных дыр в центрах галактик заключается в том, что неизвестно, какая перед нами аккреционная структура — тонкий диск (как в большинстве симуляций), толстый (как, например, трехмерный тор), или облако газа, или там есть релятивистские струи — и так далее. Например, в очень активных ядрах галактик и квазарах аккреционный поток имеет большое значение, и диск, вероятно, толстый. К счастью, Стрелец A* и M87* не являются активными галактиками, поэтому диск здесь, вероятно, тонкий. Это также зависит (но в меньшей степени) от того, вращается ли черная дыра или нет.
В 1990-е годы вы вместе с Жан-Аленом Марком (Jean-Alain Marck) стали работать над компьютерной анимацией движения вокруг черной дыры. Помогло ли это лучше понять, как выглядят черные дыры, или делалось скорее для привлечения общественности?
По сути, это делалось для того, чтобы предоставить публике более привлекательные (цветные, анимированные) изображения. Любопытно, что научное сообщество относилось к этим симуляциям как к забаве и не осознавало их будущего значения.
Что вы думаете о том, как изображена черная дыра в фильме «Интерстеллар» (Interstellar)?
Я много писал об этом в своем блоге. Если коротко, с точки зрения геометрии изображение верно, но неверно с точки зрения физики, — создатели фильма пренебрегли физическими свойствами аккреционного диска и воздействием допплеровского сдвига.
Придал ли проект EHT новый толчок попыткам визуализации черных дыр, и пытаются ли люди узнать, что именно они увидят?
Конечно. Я прекратил отслеживать историю создания изображений черных дыр в 2002 году именно по той причине, что, как только появилась возможность увидеть черную дыру с помощью EHT, возникло такое множество симуляций, что я просто не мог их все охватить. К сожалению, большинство авторов этих симуляций не ссылаются на наши первичные изображения.
Как вы думаете, что покажет нам команда EHT на этой неделе?
Зависит от множества факторов: например, от угла зрения наблюдателя по отношению к аккреционному диску. Если смотреть на него практически под прямым углом, асимметрия свечения из-за доплеровского сдвига не будет сильной. Также все зависит от внешней среды Стрельца А* и М87*, толщины диска (если он есть), и так далее. У меня есть все основания подозревать, что удастся получить более отчетливое изображение M87*, чем Стрельца A*. В любом случае, если там есть тонкий аккреционный диск (я уверен, что в случае с M87* так оно и есть), изображение не должно быть далеко от одного из образов, рассчитанных Жаном-Аленом Марком в 1989 году.
Дэниел Клери — старший обозреватель журнала «Сайенс» в Великобритании.