В центре каждой уважающей себя галактики должна быть чёрная дыра. И не простая, а сверхмассивная, которая весит от нескольких миллионов до многих миллиардов масс Солнца. Сами по себе эти объекты, на границе которых застывают время и свет, не светятся, и большую часть времени они тихо сидят в центрах своих галактик, едва-едва выдавая своё присутствие мерцанием нагретого замагниченного газа, который, сжимаясь, медленно приближается к горизонту событий, где он навечно скроется.
Но иногда чёрным дырам удаётся поживиться. Бывает, звезда в своих блужданиях по галактике забредает слишком близко к дыре и оказывается разрушена мощнейшими приливными гравитационными силами невидимого монстра. Бывает, галактика, в центре которой он сидит, сталкивается с другой. Тогда при перестройке орбит всего вещества, обращавшегося до столкновения вокруг центров двух галактик, в опасной близости от чёрной дыры могут оказаться облака газа, которые также рано или поздно будут проглочены.
Пока чёрная дыра пирует, падающий в неё газ ярко светится, нагреваясь до миллионов и миллиардов градусов из-за трения во вращающемся вокруг дыры так называемом аккреционном диске. Избытки же вещества, которые чёрная дыра не может проглотить, вылетают наружу в виде двух струй или джетов, в образовании которых, видимо, ключевую роль играет магнитное поле. В такие моменты на небе загорается активное галактическое ядро, и те миллионы лет, пока оно светит, можно быть уверенным, что масса чёрной дыры непрерывно увеличивается за счёт пожираемого газа и звёзд.
В настоящее время твёрдо установлено наличие двух типов чёрных дыр, и имеются достаточно обоснованные свидетельства существование третьего и пока лишь умозрительные гипотезы насчёт наличия четвёртого.
Чёрные дыры звёздных масс образуются в результате эволюции массивных звёзд. Когда ядерное топливо в их центрах заканчивается, и давление обычного газа, вырожденного электронного газа и нейтронной жидкости оказываются не в силах противостоять гравитации, ядро звезды коллапсирует в чёрную дыру. Так образуются чёрные дыры массой от нескольких до нескольких десятков масс Солнца.
Сверхмассивные чёрные дыры имеются в центре большинства, а возможно, и всех крупных галактик. После появления здесь «затравочной» чёрной дыры – например, звёздной или чуть большей массы, условия её питания оказываются очень подходящими для дальнейшего роста: плотность звёзд и газа здесь очень велики и чёрная дыра быстро набирает массу. Кроме того, при слиянии галактик чёрные дыры, существовавшие в центре каждой из них оседают к новому центру, где сливаются в единое образование. Расчёты показывают, что на образование чёрной дыры массой в миллионы и миллиарды масс Солнца требуются от сотен миллионов до нескольких миллиардов лет.
Вероятно, в природе имеются также чёрные дыры промежуточных масс – в сотни и тысячи солнечных. Такие чёрные дыры могли бы образовываться, например, при коллапсе сверхмассивных звёзд, по-видимому, присутствовавших во Вселенной во времена её молодости. Некоторые из них как раз и стали «затравочными» объектами для образования сверхмассивных чёрных дыр, другие – набрали гораздо меньше массы. Обнаружить их сложно.
Наконец, первичные чёрные дыры могли образовываться в самой ранней молодости Вселенной, когда она была ещё очень горячей и плотной, – например, на топологических дефектах при фазовых переходах вещества. Эти чёрные дыры могли иметь практически любую массу, однако дыры с массой меньше примерно 1015 грамм уже должны были «испариться», а очень крупные дыры встречаются слишком редко, чтобы их можно было заметить.
Тем не менее, именно наша «родная» чёрная дыра – самый притягательный объект для астрономов и тех физиков, что всё ещё сомневаются в существовании этих объектов.
Причина этого проста – у чёрной дыры в центре нашей Галактики самый большой размер на небе.
Настоящий, линейный, выраженный в сантиметрах размер чёрной дыры – то есть того «горизонта событий», из-под которого ничто, даже свет, не может убежать наружу – пропорционален её массе. Так что во Вселенной есть черные дыры, диаметр которых в тысячи раз превышает 20–25 миллионов километров, соответствующих «нашей» чёрной дыре. Но все эти расположены очень далеко, потому угловой, в градусах и их разнообразных долях, размер чёрной дыр на небе больше всех именно у объекта, расположенного в центре нашей галактики. Существует немало кандидатов в чёрные дыры, расположенных ещё ближе к Земле, но они из совсем другой весовой категории чёрных дыр звёздных масс, а потому гораздо меньше.
Тем не менее, если выразить этот «самый большой размер на небе» числом, получится очень маленькая величина – диаметр чёрной дыры должен составлять примерно 20 угловых микросекунд. Поскольку из-под горизонта никакое излучение не выходит, мы можем рассчитывать увидеть лишь вещество, которое находится рядом с границей чёрной дыры.
Световые лучи в её окрестностях выписывают замысловатые траектории, благодаря чему изображение, которое мы видим, распухает ещё в два--три раза. В итоге мы можем надеяться увидеть на месте чёрной дыры источник размером около 50 угловых микросекунд.
Это по-прежнему очень мало – примерно в 100 миллионов раз меньше углового градуса, в 2 миллиона раз меньше разрешения человеческого глаза и в тысячу-другую раз меньше самых крохотных подробностей неба, которые можно разглядеть с помощью космического телескопа имени Хаббла.
Видеть столь мелкие детали способны только радиоастрономы.
Это особая каста учёных, которые никак не походят на стереотип астронома — причудливого старичка в расшитом звёздами плаще, просиживающего ночи напролёт в обсерватории. Радиоастрономы направляют в небо огромные чаши радиотелескопов, которым обычно не мешает и дневной свет, и записывают шумы, которые появляются в фокусе этих антенн.
Радиоастрономы хотя и немногочисленны, но в некоторых вопросах гораздо успешнее своих оптических коллег – например, большая часть из тех немногих Нобелевских премий, что достались астрономам, уехали именно в радиообсерватории. Эти же люди умеют получать самые подробные изображения неба.
Последнее обстоятельство, вообще говоря, парадоксально. Из-за волновой природы электромагнитного излучения размер самых мелких деталей, которые различимы в телескоп, примерно равен отношению длины волны к диаметру телескопа. Но радиоволны – это как раз самые длинные волны, и подробность изображения, полученного с их помощью, должна уступать оптическому снимку и тем более ультрафиолетовому или рентгеновскому.
Спасает метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Радиоастрономы научились обращать зло большой длины радиоволн во благо, объединяя записанные на разных континентах колебания электромагнитного поля и превращая таким образом Землю в гигантский «виртуальный радиотелескоп» диаметром тысячи километров. Конечно, при таком объединении требуется исключительная стабильность записей, поэтому РСДБ считается верхом наблюдательного искусства в радиоастрономии. Записывать подобным образом оптические сигналы пока никто не умеет – их частота настолько высока, что детекторы успевают почувствовать лишь усреднённые характеристики электромагнитного поля.
На самом деле, предел разрешения телескопа зависит, не собственно от размеров объектива, а от расстояния между его самыми удалёнными точками. Свет идёт хотя и очень быстро, но с конечной скоростью, и именно крохотные задержки моментов прихода «гребня» (некоторой заданной фазы) волны между крайними точками и определяют, сколь мелкие детали мы видим.
Если взять объектив, разрезать его на части и разнести их на большое расстояние, а построенные ими изображения объединить, результат окажется куда более подробным, чем у исходного телескопа. На деле, конечно, зеркала и линзы не режут, а просто объединяют сигналы нескольких телескопов в интерферометре.
Поскольку длины радиоволн в тысячи раз больше длины волны видимого света, то чтобы тягаться с оптическими телескопами размером в несколько метров, радиоантенны нужно разводить на многие километры. Если же расстояние между антеннами увеличить до тысяч километров, то оптики будут посрамлены.
Проблема только в том, что сводить сигналы, полученные за тысячи километров друг от друга, сложно – провода с континента до континента не дотянешь, а если и дотянешь, то из-за случайных перепадов температур во времена прихода сигналов будет вноситься непредсказуемый шум, который полностью угробит весь полезный сигнал.
Однако длинные волны – это одновременно небольшие частоты, а значит можно полностью отказаться от проводов. Вместо этого приходящие радиоволны просто записывают на магнитную плёнку или диск, а объединяют сигналы уже потом, проигрывая их с того же носителя.
Этот метод называет радиоинтерферометрией со сверхдлинной базой, известной русским сокращением РСДБ и английским акронимом VLBI (Very Long Baseline Interferometry).
Если покрыть большую площадь массивом радиотелескопов, корреляция между различными приёмниками будет, по сути, представлять собой преобразование Фурье от изображения наблюдаемого источника. Обратить это преобразование и выяснить, как этот источник выглядит – дело математической техники.
Учёные из США, Нидерландов и Германии под руководством Шепа Доулмана из Массачусетского технологического института построили свой «виртуальный радиотелескоп» на данных, полученных с помощью антенн в американских штатах Аризона, Калифорния и на Гавайях. Результаты этой работы изложены в последнем номере Nature. Наблюдения центра нашей галактики, которые состоялись ещё в апреле прошлого года, Доулман и коллеги провели с помощью радиоволн длиной всего 1,3 миллиметра.
Это и вовсе высший пилотаж. Для обеспечения стабильности записи данных, которые каждый детектор выдавал со скоростью полгигабайта в секунду, пришлось использовать эталон времени на основе водородного мазера – по сути, атомные часы. Кроме того, все данные калибровались по шести небесным радиоисточникам, сигналы от которых записывались всякий раз перед началом наблюдений галактического центра.
Короткая длина радиоволн и тысячи километров расстояния между антеннами позволили достичь небывалой точности всего в 40 угловых микросекунд. На расстоянии в 25 тысяч световых лет от Земли, где находится центр галактики, это соответствует всего 50 миллионам километров, что втрое меньше расстояния от Земли до Солнца. Именно с таким разрешением астрономы и смогли пронаблюдать нашу центральную чёрную дыру, а точнее – загадочный источник радиоизлучения Стрелец A*, или Sgr A*, который неизменно связывают с чёрной дырой последние несколько десятилетий.
У миллиметровых радиоволн есть ещё одно преимущество – их меньше замывают неоднородности ионизованной межзвёздной среды, через которые идут радиоволны. Для длины волны в 1,3 миллиметра это размытие составляет 20 угловых микросекунд, а для сантиметровых – уже тысячу с лишним. Понятно, что увидеть объект размером 50 угловых микросекунд на сантиметровых радиоволнах нельзя.
Собственно, у Доулмана и его коллег «увидеть», создать изображение Sgr A* не получилось.
То, что многие поспешили объявить «портретом» чёрной дыры, – не более чем рисунок.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 3,
"picsrc": "Модель чёрной дыры в центре нашей Галактики, а также аккреционного диска падающего на неё и джетов выбрасываемого из её окрестностей вещества. На врезе показано, как должна выглядеть центральная область при хорошем разрешении. Детали этого изображения должны существенно и нетривиальным образом зависеть от ориентации аккреционного диска и углового момента самой чёрной дыры. Разрешение, достигнутое в нынешней работе, представлено оранжевым кружком. Оно уже не допускает существования объекта необходимой по кинематическим данным массы без горизонта событий. // MIT/Shep Doeleman/NASA/CXC/M.Weiss/JHU/S.Noble/ U.Illinois/C.Gammie",
"repl": "<3>:{{incut3()}}",
"uid": "_uid_2830734_i_3"
}
Пытаться восстановить настоящее изображение радиоисточника в данном случае – дело безнадёжное, поскольку данных с трёх плеч интерферометра, в одном из которых к тому же не удалось зафиксировать вменяемого сигнала, – недостаточно.
Однако учёным удалось показать, что источник радиоволн Sgr A* размерами меньше, чем 40 миллионов километров, а с учётом распухания его видимых размеров благодаря искривлению лучей истинный размер должен быть меньше 20–25 миллионов километров.
Это означает, что здесь не может прятаться какой-то светящийся объект без горизонта событий.
Масса Sgr A* точно измерена по движению звёзд в его окрестностях, но у продолжающих отказывать чёрным дырам в праве на существование скептиков оставалась уйма экзотических вариантов, способных объяснить природу этого объекта. Это могли быть кварковые звёзды, какие-нибудь массивные образования из бозонов – частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий, просто очень тесное скопление радиоисточников.
Теперь эти варианты исключены, поскольку все такие объекты должны быть больше, чем чёрная дыра. Только она может заставить светиться что-то в своих окрестностях – например, те же акрецционный диск или джеты — и при этом спрятать основную массу в темноте, за горизонтом событий, из-под которого не пробивается свет. Чтобы отрицать существование чёрной дыры в центре нашей галактики теперь, придётся серьёзно пересмотреть современные представления о гравитации, причин чему пока не видится.
Теперь, когда дверь в РСДБ-исследования центра Млечного пути открыта, астрономы с нетерпением ждут появления настоящих изображений с помощью ещё более коротких радиоволн.
По этим «фотографиям» можно будет понять, как крутятся чёрная дыра и само пространство-время рядом с ней, поскольку от параметров вращения сильно зависит, как искривляются лучи света в окрестностях чёрной дыры, которые и создают итоговое изображение.
А вот уже по скорости вращения можно будет узнать, как росла чёрная дыра, чем и как долго она питалась, откуда пришло то вещество, из которого она теперь состоит. История всей нашей галактики и её центральной чёрной дыры связаны воедино, так что наблюдая далёкого монстра, мы изучаем своё собственное прошлое.
