Самый большой объект в нашем ночном небе - безусловно! - невидим для нас. Объект - Сверхмассивная Черная Дыра (SMBH) в центре нашей галактики Млечный Путь, которая называется Стрелец А. Но вскоре у нас может появиться изображение горизонта событий Стрельца А. И этот образ может поставить под сомнение теорию общей теории относительности Эйнштейна.
Никто никогда не видел горизонт событий черной дыры. Интенсивное гравитационное притяжение препятствует выходу чего-либо, даже света. Горизонт событий - это точка невозврата. Неважно, ни света, ни информации не избежать. Но мы можем быть близки к тому, чтобы получить изображение горизонта событий Стрельца А благодаря телескопу горизонта событий (EHT).
EHT - международное сотрудничество, разработанное, чтобы исследовать непосредственное окружение черной дыры. Это не один телескоп, а скорее связанная система радиотелескопов по всему земному шару, которые работают вместе с помощью интерферометрии. Измеряя электромагнитную энергию из области, окружающей черную дыру, с несколькими радиоприемниками в нескольких местах, можно получить некоторые свойства источника.
Исследователи из EHT надеются, что их наблюдения в конечном итоге предоставят изображения интенсивных гравитационных эффектов, которые мы ожидаем увидеть вблизи черной дыры. Они также надеются обнаружить некоторую динамику при работе вблизи отверстия, поскольку орбитальное вещество в аккреционном диске достигает релятивистской скорости.
Проект EHT собрал данные о Стрельце А и еще одной черной дыре под названием M87 в центре галактики Дева А за четырехлетний период. Эти четыре года закончились в апреле 2017 года, но команда из 200 ученых и инженеров все еще анализирует данные. Тем временем команда выпустила компьютерные модели изображений того, что они надеются увидеть.
Изображение может показаться не таким уж большим, но оно имеет большое значение. Это эквивалентно чтению газетного заголовка на луне, стоя на Земле. Изображение может помочь нам ответить на некоторые сложные вопросы, касающиеся черных дыр:
- Какую роль сыграли черные дыры в образовании галактик?
- Как выглядят свет и материя, падая в черную дыру?
- Из чего сделаны потоки энергии из черных дыр?
Существует также вероятность того, что изображение Стрельца А, созданное EHT, будет означать, что Теорию общей теории относительности Эйнштейна необходимо будет обновить. (Хотя ставить против Эйнштейна обычно плохая идея.)
Черные дыры и горизонт событий
Черные дыры - это в основном звездный труп. Когда очень массивная звезда прожигает все свое топливо, она падает в чрезвычайно плотную точку или особенность. Черная дыра обладает невероятно сильным гравитационным притяжением, которое притягивает к ней газ и пыль. Один раз в 10000 лет Стрелец А даже потребляет звезду.
Горизонт событий похож на раковину вокруг черной дыры. Как только какое-либо вещество - или даже свет - достигает горизонта событий, игра заканчивается. Черная дыра увеличивается в размерах по мере того, как она потребляет материю, а также расширяется горизонт событий.
Стрелец А, наша собственная сверхмассивная черная дыра (SMBH), массивный. Его масса в 4 миллиона раз больше Солнца. Но даже в этом случае он не такой большой по сравнению с другими SMBH. Другой SMBH в проекте EHT намного больше, его масса в 7 миллиардов раз больше массы Солнца.
EHT создаст изображение горизонта событий, изучая область вокруг черной дыры. Что-то происходит с материалом, когда он падает в черную дыру. Он образует аккреционный диск из вихревого газа и пыли, который в основном удерживается, пока не попадет в отверстие. Этот материал ускоряется до релятивистских скоростей, что означает близость к скорости света. Когда это происходит, материал перегревается и излучает энергию.
Но черная дыра настолько гравитационно мощна, что изгибает этот свет в явлении, называемом гравитационным линзированием. Эта линза создает темную область, которая называется тенью черной дыры. Согласно теории, горизонт событий должен быть примерно в 2,5 раза больше тени. Таким образом, как только ученые получают изображение тени, они знают размер горизонта событий. Размер горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Так что в случае Стрельца А, он должен быть около 24 миллионов км (15 миллионов миль) в диаметре.
Таким образом, не будет никаких изображений самой черной дыры, но будут изображения тени, которую отбрасывает черная дыра. С научной точки зрения это большой скачок в нашем понимании черных дыр. И в случае каких-либо сомнений в существовании черных дыр, изображение тени предоставит убедительные доказательства того, что черные дыры действительно существуют.
EHT и самолеты
Несмотря на огромные размеры Стрельца А, в небе он крошечный. Это слишком мало, чтобы увидеть один телескоп. Вот почему EHT был реализован. Он объединяет 7 отдельных радиотелескопов по всему миру в один большой виртуальный телескоп, используя технику, называемую Очень длинная базовая интерферометрия (VLBI), с которой знакомы любители астрономии. Виртуальный телескоп обладает гораздо большей разрешающей способностью, чем один прицел, и позволил астрономам изучать область вблизи Sgr. A.
В течение однонедельного периода в апреле 2017 года команда EHT направила все семь своих прицелов на Sgr A, а семь атомных часов записали время прибытия сигналов на каждый телескоп. Изучая и комбинируя сигналы, ученые могут создать картину Sgr A. Это длительный процесс, который продолжается.
Энергетические струи, исходящие из окрестностей черной дыры, представляют особый интерес для исследователей. Вихрь, вращающийся в аккреционном диске черной дыры, нагревается до миллиардов градусов. Часть этого входит в черную дыру, но не все.
Энергетические струи - это та часть, которая ускользает от аккреционного диска. Они движутся со скоростью, близкой к скорости света, в течение десятков тысяч световых лет. Ученые хотят знать о них больше.
Когда дело доходит до Sgr. О, мы не знаем, есть ли самолеты. Он не был очень активным в последние несколько десятилетий, поэтому, возможно, не будет никаких самолетов. Но если они там, EHT будет принимать там радиосигналы. Тогда мы можем получить ответы на некоторые фундаментальные вопросы о самолетах:
- Как они начинаются?
- Как они разгоняются до релятивистских скоростей?
- Как они остаются сосредоточенно?
- Из чего именно они сделаны?
Является ли теория общей теории относительности Эйнштейна в беде?
Возможно нет. Но есть шанс.
Большая часть нашей Солнечной системы - это довольно прозаичное, рабочее место. И вот откуда берутся большинство наших наблюдательных данных в поддержку общей теории относительности. Но область, окружающая черную дыру, не является нормальной окрестностью.
Условия там экстремальные. Интенсивная гравитация, перегретые струи материала, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, и горизонт событий. Но что касается общей теории относительности, то в основном речь идет о гравитации и свете.
Общая теория относительности предсказывает, что гравитация черной дыры изогнет пространство-время и притянет к ней все, включая свет. Данные, собранные EHT, обеспечат измерения этого явления, которые можно сравнить с предсказаниями Эйнштейна. Если данные соответствуют прогнозам, Эйнштейн снова побеждает.
Общая теория относительности делает другое предсказание: тень, отбрасываемая аккреционным диском, должна быть круглой. Если оно не круглое, а скорее яйцевидное, то формулы в общей теории относительности не совсем точны.
Джон Уордл - астроном, который десятилетиями изучал черные дыры, еще когда они были просто теоретической конструкцией. Он активно участвует в проекте EHT. Уордл считает, что общая теория относительности выдержит это испытание и что Эйнштейн снова победит. Но если общая теория относительности не пройдет этот тест, мы окажемся в очень сложной и странной ситуации.
«Тогда мы будем в строгой смирительной рубашке, потому что вы не можете вносить изменения, которые испортят все остальные вещи, которые работают», - сказал Уордл. «Это было бы очень интересно».
- Пресс-релиз университета Брандейса: «Как выглядит черная дыра?»
- Event Horizon Telescope
- Wikipedia Запись: Интерферометрия
- Статья в Википедии: Горизонт событий
