Правообладатель иллюстрацииEHT COLLABORATIONImage captionМасса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз
Сенсационное заявление сделали европейские ученые: им удалось впервые сделать фотографию черной дыры - сверхмассивного коллапсара в далекой галактике Messier 87, находящейся в скоплении Девы.
Расстояние до этой черной дыры - около 50 млн световых лет, или почти 500 квинтиллионов (500 миллионов триллионов) километров. Чтобы ее сфотографировать, потребовалась сеть из восьми телескопов, расположенных на разных континентах.
"То, что мы видим [на снимке], - больше по размеру, чем вся наша Солнечная система, - пояснил Би-би-си профессор Университета Неймгена в Нидерландах Хейно Фальке. - Масса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз".
"Это одна из самых массивных черных дыр, которые в принципе могут существовать, - добавил профессор. - Абсолютный монстр, чемпион Вселенной в сверхтяжелом весе".
Правообладатель иллюстрацииDR JEAN LORRE/SCIENCE PHOTO LIBRARYImage captionАстрономы давно подозревали, что в центре галактики М87 находится супермассивная черная дыра, однако черное пятно в центре этого снимка - не сам коллапсар, а массивное скопление быстро движущихся звезд
Это настолько важная новость для всего научного мира, что журналистам объявили о нем на пресс-конференции, которую одновременно провели сразу в шести городах: в Брюсселе, Вашингтоне, Сантьяго-де-Чили, Тайбэе, Токио и Шанхае - на четырех языках.
Дело в том, что до сегодняшнего дня все наши представления о черных дырах были исключительно теоретическими. Само их реальное существование было лишь научной гипотезой - пусть и очень убедительной.
Русская служба Би-би-си постаралась (как можно проще) ответить на самые очевидные возникающие вопросы.
Ученые что, не знали, существуют ли черные дыры на самом деле?
Строго говоря, да, не знали - точнее, не были уверены. И уж точно ни одной не видели - до сегодняшнего дня. Существовали лишь убедительные косвенные доказательства.
На бытовом уровне это можно сравнить с громом и молнией. Мы знаем, что разряд молнии порождает мощную ударную волну, которую мы воспринимаем как гром, и одно без другого существовать не может.
Однако молния может быть скрыта за толстым слоем облаков или высотными зданиями, и тогда мы слышим только удар грома, а самой молнии не видим - но можем с уверенностью предположить, что она была. Хотя и не можем полностью исключить другие объяснения.
Правообладатель иллюстрацииNASAImage captionДо сегодняшнего дня все изображения черных дыр - как эта картинка - были лишь рисунками художников
Примерно так же и с черными дырами. Их существование было предсказано более общими научными теориями (впервые - еще в конце XVIII века) и с тех пор многократно подтверждено расчетами. Но "вещественных доказательств" у ученых не было - а теперь есть.
Кстати, ровно по такому же принципу физики десятилетиями прицельно искали предсказанные ранее гравитационные волны и бозон Хиггса. И в итоге - после десятилетий поисков - нашли и то и другое.
"Значимость нашего открытия состоит в том, что оно превратило математический концепт горизонта событий, который обычно представляет собой написанные на доске формулы, в реальный объект - во что-то, что можно проверить, измерить и наблюдать", - заявил один из руководителей проекта Лучано Реццола.
Что мешало сделать фотографию раньше?
Штука в том, что увидеть черную дыру попросту невозможно - ни невооруженным глазом, ни с помощью аппаратуры. Поэтому она и называется черной.
Мы видим те или иные объекты, когда отраженные от них лучи света попадают на светочувствительные рецепторы в наших глазах. В отсутствие света зрение становится совершенно бесполезным.
Представьте себе, что вы находитесь в абсолютно темной комнате, куда не проникает никакой свет. Что вы увидите вокруг? Ничего. Темноту. Даже если пространство вокруг вас заставлено вещами, вы можете их нащупать - но не увидеть.
В комнате вы можете воспользоваться прибором ночного видения: он улавливает невидимое инфракрасное излучение и переводит его в видимую часть спектра.
Однако в случае с черной дырой ее притяжение так велико, что преодолеть его не может никакое излучение, доступное нашим телескопам - ни радиоволны, ни рентгеновское излучение, ни гамма-лучи, - не говоря уже про видимый солнечный свет.
Так что улавливать попросту нечего.
Как же удалось сфотографировать то, что невозможно увидеть никакой аппаратурой?
Строго говоря, на фотографии не сама черная дыра, а ее "внешняя оболочка" - точка невозврата, также известная как горизонт событий.
Так называется область пространства-времени, внутри которой гравитация черной дыры уже не дает вырваться наружу никакой информации, но снаружи у лучей еще есть возможность избежать притяжения.
Правообладатель иллюстрацииSCIENCE PHOTO LIBRARYImage captionЧерная дыра обладает огромной массой - и сильно искривляет вокруг себя время и пространство
Уловить и сфотографировать эти лучи - прошедшие по самому краю горизонта событий, но не поглощенные черной дырой - на протяжении многих лет пытался проект Event Horizon Telescope (EHT). Это сложная сеть радиотелескопов, расположенных на разных континентах и совместно анализирующих информацию.
Задача эта не из простых. Время и пространство вокруг черной дыры сильно искривлены, а кроме того, ее окружает плотное облако космической пыли и газа.
Однако после нескольких лет сбора и анализа информации это, наконец, удалось сделать.
Правообладатель иллюстрацииKATIE BOUMANImage captionЖесткие диски с информацией, собранной телескопами
Собранной информации было так много, что переслать ее по интернету было просто невозможно: сотни жестких дисков пришлось свозить самолетами в аналитические центры в Бонне и Бостоне.
"Нам удалось сделать то, что казалось предыдущему поколению невозможным", - заявил руководитель проекта, профессор Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Шеперд Дойлеман.
Так что же на снимке?
Как объясняет профессор Фальке, идеально круглую черную дыру окружает "огненное кольцо" - это устремляющийся в нее горячий газ, разогретый до невероятных температур.
Газ светится так сильно, что затмевает по яркости несколько миллиардов звезд, расположенных в той же галактике, - поэтому его можно увидеть с Земли.
Сама черная окружность - это область внутри горизонта событий, откуда свет вырваться уже не может. Там перестают действовать все привычные нам законы физики.
Что дальше?
Уже несколько лет та же команда ученых пытается сфотографировать ближайший к нам подобный объект - сверхмассивную черную дыру Стрелец A*, находящуюся в центре нашей галактики Млечный путь.
Расстояние до нее от Земли составляет "всего" около 26 тысяч световых лет, а масса превышает солнечную примерно в 4,3 млн раз - в тысячу с лишним раз меньше, чем черная дыра в скоплении Девы.
Как ни странно, сделать этот снимок намного сложнее, чем сфотографировать черную дыру в далекой галактике, поскольку "огненное кольцо" в центре Млечного пути меньшего размера и не такое яркое.
Правообладатель иллюстрацииAFPImage captionЭтот снимок был сделан телескопом Европейской Южной обсерватории в октябре прошлого года и лишь подкрепил гипотезу ученых о том, что в центре нашей галактики Млечный Путь также находится сверхмассивная черная дыра - но самой дыры на фото так и не видно====================================================
NEWS
Black hole pictured for first time — in spectacular detail
The Event Horizon Telescope’s global network of radio dishes has produced the first-ever direct image of a black hole and its event horizon.
The Event Horizon Telescope network has obtained the first image of a black hole — at the centre of the galaxy M87. Credit: EHT Collaboration
Astronomers have finally glimpsed the blackness of a black hole. By stringing together a global network of radio telescopes, they have for the first time produced a picture of an event horizon — a black hole’s perilous edge — against a backdrop of swirling light.
“We have seen the gates of hell at the end of space and time,” said astrophysicist Heino Falcke of Radboud University in Nijmegen, the Netherlands, at a press conference in Brussels. “What you’re looking at is a ring of fire created by the deformation of space-time. Light goes around, and looks like a circle.”
The images — of a glowing, ring-like structure — show the supermassive black hole at the centre of the galaxy M87, which is around 16 megaparsecs (55 million light years) away and 6.5 billion times the mass of the Sun. They reveal, in greater detail than ever before, the event horizon — the surface beyond which gravity is so strong that nothing that crosses it, even light, can ever climb back out.
The highly anticipated results, comparable to recognizing a doughnut on the Moon’s surface, were unveiled today by the Event Horizon Telescope (EHT) collaboration in six simultaneous press conferences on four continents. The findings were also published in a suite of papers1,2,3,4,5 in Astrophysical Journal Letters on 10 April.
The image is a “tremendous accomplishment”, says astrophysicist Roger Blandford of Stanford University in California. “When I was a student, I never dreamt that anything like this would be possible,” he says. “It is yet another confirmation of general relativity as the correct theory of strong gravity.”
“I was so delighted,” says Andrea Ghez, an astronomer at the University of California, Los Angeles. The images provide “clear evidence” of a ‘photon ring’ around a black hole, she says.
Six press conferences around the world revealed the black-hole images.
Black-hole predictions
Nearly a century ago, physicists first deduced that black holes should exist from Albert Einstein’s general theory of relativity, but most of the evidence so far has been indirect. The EHT has now made a new, spectacular confirmation of those predictions.
The team observed two supermassive black holes — M87’s and Sagittarius A*, the void at the Milky Way’s centre — over five nights in April 2017. They mustered enough resolution to capture the distant objects by linking up eight radio observatories across the globe — from Hawaii to the South Pole — and each collected more data than the Large Hadron Collider does in a year (see ‘Global effort’). It took two years of work to piece the pictures together.
After combining the observatories’ data, the team started analysis in mid-2018. They quickly realized that they could get a first, clean picture from M87. “We focused all our attention on M87 when we saw our first results because we saw this is going to be awesome,” says Falcke.
At the Brussels press conference, astrophysicist Monika Moscibrodzka, also at Radboud, said that the measurements so far are not precise enough to measure how fast the M87 hole spins — a crucial feature for a black hole. But it indicates the direction in which it’s spinning, which is clockwise in the sky, she said. Further studies could also help researchers understand how the black hole produces its gigantic jets.
The teams will also now turn their attention to the Sagittarius A* data. Because Sagittarius A* is nearly 1,000 times smaller than the M87 black hole, matter orbited it many times during each observing session, producing a rapidly changing signal rather than a steady one, says Luciano Rezzolla, a theoretical astrophysicist at the Goethe University Frankfurt and a member of the EHT team. That makes the data is more complicated to interpret, but also potentially richer in information.
NIK SPENCER/Nature; Avery Broderick/University of Waterloo (IMAGES bottom)
Event horizons are the defining feature of black holes. To a nearby observer, an event horizon should appear as a spherical surface shrouding its interiors from view. Because light can cross the surface only one way — inwards — the globe should look completely black.
A black hole’s event horizon should appear five times larger than it is, because the hole warps the surrounding space and bends the paths of light. The effect, discovered by physicist James Bardeen at the University of Washington in Seattle in 1973, is similar to the way that a spoon looks larger when dipped in a glass of water. Moreover, Bardeen showed that the black hole would cast an even larger ‘shadow’. This is because within a certain distance of the event horizon, most light rays bend so much that they effectively orbit the black hole.
Earth-sized telescope
To actually resolve details on the scale of the event horizon, radio astronomers calculated that they would need a telescope the size of Earth (a telescope’s resolution is also proportional to its size). Fortunately, a technique called interferometry could help. It involves multiple telescopes, located far apart from one another and pointed at the same object simultaneously. Effectively, the telescopes work as if they were shards of one big dish.
Various teams around the world refined their techniques, and retrofitted some major observatories so that they could add them to a network. In particular, a group led by Shep Doeleman, now at Harvard University in Cambridge, Massachusetts, adapted the 10-metre South Pole Telescope and the US.4-billion Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile to do the work.
In 2014, Falcke, Doeleman and groups from around the world joined forces to form the EHT collaboration. They did their first Earth-spanning observation campaign in 2017. They observed Sagittarius A* and M87 during a two-week window in April when the locations of the observatories are most likely to get good weather simultaneously.
Last year, while the data were still being processed, Falcke told Naturethat he expected the experiment to gather a wealth of information about the structure of the black holes, but not yet a pretty picture. At best, it would resemble “an ugly peanut”, he said. “Or maybe, the first image will be just a few blots. It may not even resemble a peanut.”
The EHT ran another observing campaign in 2018 — the analysis of those data is still in the works — but cancelled a planned observation campaign this year because of security issues near one of its most important sites, the 50-metre LMT Large Millimeter Telescope in Puebla, Mexico. They plan to continue to do observations once a year starting in 2020.
The collaboration is now looking for funding to establish a foothold in Africa, which would fill in a major gap in the network. The plan is to relocate a 15-metre dish — a decommissioned Swedish telescope — from Chile to the Gamsberg Table Mountain in Namibia. For now, the network has already secured two major additions: a dish in Greenland and an array in the French Alps.
An expanded EHT network could provide detail on what happens inside the voids — “how the world behaves inside black holes, and if it is as we expected it to be”, says David Sánchez Argüelles, a physicist at the Large Millimeter Telescope.
“It was a great sense of relief to see this, but also surprise,” says Doeleman of the results. “You know what I was really expecting to see? A blob. To see this ring is probably the best outcome that we could have had.”
1 New Concepts in Science*
