Международная сеть радиотелескопов создала первое в мире крупное изображение тени черной дыры, которое ученые обнаружили сегодня утром (10 апреля). Сотрудничество под названием «Телескоп горизонта событий» подтвердило десятилетия предсказаний о том, как свет будет вести себя вокруг этих темных объектов, и подготовило почву для новой эры астрономии черной дыры.
«От шкалы от нуля до удивления это было удивительно», - говорит Эрин Боннинг, астрофизик и исследователь черных дыр в Университете Эмори, который не принимал участия в съемке.
«Тем не менее, это было то, что я ожидал», сказала она Live Science.
Объявление, которое дразнили примерно за полторы недели вперед, оказалось невероятно захватывающим и почти полностью лишенным неожиданных деталей или новой физики. Физика не сломалась. Не было обнаружено неожиданных черт черных дыр. Само изображение почти идеально подходило для иллюстраций черных дыр, которые мы привыкли видеть в науке и поп-культуре. Большая разница в том, что это намного более размыто.
Однако есть несколько важных вопросов, связанных с черными дырами, которые остались нерешенными, сказал Боннинг.
Как черные дыры производят свои огромные струи горячей, быстрой материи?
Все сверхмассивные черные дыры обладают способностью жевать близлежащую материю, поглощать большую ее часть за пределами своих горизонтов событий и выплевывать оставшуюся часть в космос на почти световой скорости в пылающих башнях, которые астрофизики называют «релятивистскими самолетами».
А черная дыра в центре Девы А (также называемая Мессье 87) славится своими впечатляющими струями, извергая вещество и излучение во всем пространстве. Его релятивистские джеты настолько велики, что могут полностью покинуть окружающую галактику.
И физики знают, как это происходит: материал ускоряется до предельных скоростей, когда он хорошо падает в гравитационную черную дыру, а затем часть из нее уходит, сохраняя эту инерцию. Но ученые не согласны с деталями того, как это происходит. Это изображение и связанные с ним документы пока не предлагают никаких деталей.
Понять это, сказал Боннинг, будет вопрос объединения наблюдений телескопа горизонтов событий, которые охватывают довольно небольшое пространство, с гораздо большими изображениями релятивистских джетов.
Хотя у физиков пока нет ответов, она сказала, что есть большая вероятность, что они придут в ближайшее время - особенно после того, как коллаборация создаст изображения своей второй цели: сверхмассивной черной дыры Стрельца А * в центре нашей собственной галактики, которая не производит струи, как у Девы А. По ее словам, сравнение двух изображений может дать некоторую ясность.
Как соотносятся общая теория относительности и квантовая механика?
Всякий раз, когда физики собираются, чтобы поговорить о действительно захватывающем новом открытии, вы можете ожидать, что кто-то предположит, что это может помочь объяснить «квантовую гравитацию».
Это потому, что квантовая гравитация является великим неизвестным в физике. В течение приблизительно столетия физики работали, используя два различных набора правил: общая теория относительности, которая охватывает очень большие вещи, такие как гравитация, и квантовая механика, которая охватывает очень маленькие вещи. Проблема в том, что эти два сборника правил прямо противоречат друг другу. Квантовая механика не может объяснить гравитацию, а теория относительности не может объяснить квантовое поведение.
Когда-нибудь физики надеются связать их вместе в великую объединенную теорию, вероятно, включающую в себя некую квантовую гравитацию.
И до сегодняшнего объявления было предположение, что это может быть прорыв по этому вопросу. (Если бы предсказания общей теории относительности не были подтверждены на изображении, это бы сдвинуло мяч вперед.) Во время брифинга новостей от Национального научного фонда Эвери Бродерик, физик из Университета Ватерлоо в Канаде и сотрудник по проекту предположил, что такие ответы могут быть получены.
Но Боннинг скептически отнесся к этому заявлению. Этот образ был совершенно неудивителен с точки зрения общей теории относительности, поэтому он не предложил никакой новой физики, которая могла бы сократить разрыв между двумя полями, сказал Боннинг.
Тем не менее, не безумно, что люди надеются на ответы от такого рода наблюдений, сказала она, потому что край тени черной дыры приносит релятивистские силы в крошечные пространства квантового размера.
«Мы ожидаем увидеть квантовую гравитацию очень, очень близко к горизонту событий или очень, очень рано в ранней Вселенной», - сказала она.
Но при все еще нечетком разрешении телескопа Event Horizons, по ее словам, мы вряд ли найдем такие эффекты даже при запланированных обновлениях.
Были ли теории Стивена Хокинга такими же правильными, как теории Эйнштейна?
Самый большой вклад физика Стивена Хокинга в раннюю карьеру в физику заключался в том, что «излучение Хокинга» - черные дыры на самом деле не черные, а со временем испускают небольшое количество радиации. Результат был чрезвычайно важен, потому что он показал, что как только черная дыра перестанет расти, она начнет очень медленно сокращаться от потери энергии.
Но Телескоп Горизонтов Событий не подтвердил и не опроверг эту теорию, сказал Боннинг, но никто этого не ожидал.
По ее словам, гигантские черные дыры, подобные той, что в Деве А, испускают лишь минимальное количество излучения Хокинга по сравнению с их общим размером. В то время как наши самые совершенные инструменты теперь могут обнаруживать яркие огни их горизонтов событий, маловероятно, что они когда-либо будут дразнить ультрамутное свечение поверхности сверхмассивной черной дыры.
Эти результаты, по ее словам, будут получены из крошечных черных дыр - теоретических короткоживущих объектов, настолько маленьких, что вы можете заключить весь их горизонт событий в своей руке. Имея возможность тщательных наблюдений и гораздо больше доступного излучения по сравнению с их общим размером, люди могут в конечном итоге выяснить, как произвести или найти один и обнаружить его излучение.
Так что же мы на самом деле узнали из этого изображения?
Сначала физики узнали, что Эйнштейн был прав, еще раз. Край тени, насколько видит телескоп «Горизонты событий», представляет собой идеальный круг, как и предсказывали физики в 20-м веке, работающие с уравнениями общей теории относительности Эйнштейна.
«Не думаю, что кого-то должно удивлять, когда пройдет еще одно испытание общей теории относительности», - сказал Боннинг. «Если бы они вышли на сцену и сказали, что общая теория относительности нарушена, я бы упал со стула».
По ее словам, результатом, имеющим более непосредственные практические последствия, было то, что изображение позволило ученым точно измерить массу этой сверхмассивной черной дыры, которая находится на расстоянии 55 миллионов световых лет от центра галактики Дева А. Это в 6,5 миллиардов раз массивнее нашего Солнца.
Это большое дело, сказал Боннинг, потому что это может изменить способ, которым физики взвешивают сверхмассивные черные дыры в сердцах других, более отдаленных или меньших галактик.
Прямо сейчас, физики имеют довольно точное измерение массы сверхмассивной черной дыры в сердце Млечного Пути, сказал Боннинг, потому что они могут наблюдать, как его гравитация перемещает отдельные звезды в его окрестностях.
Но в других галактиках наши телескопы не могут видеть движения отдельных звезд, сказала она. Таким образом, физики придерживаются более грубых измерений: как масса черной дыры влияет на свет, исходящий от разных слоев звезд в галактике, или как ее масса влияет на свет, исходящий от разных слоев свободно плавающего газа в галактике.
Но эти расчеты несовершенны, сказала она.
«Вы должны смоделировать очень сложную систему», - сказала она.
И эти два метода в конечном итоге дают несколько разные результаты в каждой галактике, которую наблюдают физики. Но по крайней мере для черной дыры в Деве А мы теперь знаем, что один метод является правильным.
«Наша решимость в 6,5 миллиардов солнечных масс в конечном итоге приземляется прямо на вершине определения более тяжелой массы», - сказала Сера Маркофф, астрофизик из Университета Амстердама и сотрудник проекта на брифинге.
Это не означает, что физики будут просто переходить к такому подходу для измерения масс черной дыры, сказал Боннинг. Но он предлагает важный пункт данных для уточнения будущих расчетов.
