Науковці сьогодні заявили, що історія поділяється на дві частини: до нинішньої фотографії та після неї.
Астрофізики показали перше в історії зображення горизонту подій — видимої межі чорної діри. Вони зуміли "сфотографувати" чорну діру в галактиці Мессьє 87 в сузір'ї Діви, віддалену від нас більше як на 50 мільйонів світлових років, або 500 йотаметрів (5·10²⁶ м), або 500 діаметрів Чумацького шляху, нашої галактики. Маса цієї чорної діри перевищує сонячну в 6,5 млрд разів.
Володимир ПЕЛИХ,
доктор фізико-математичних наук, заступник директора Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України
Вага сьогоднішнього спостереження така, що воно входитиме в шкільні підручники впродовж наступних сотень років. Знайдено ще одне, і цього разу найяскравіше і у прямому розумінні, підтвердження створеної у 1915 році Айнштайном при значному внеску математика Ґроссмана загальної теорії відносності.
Лише кілька людей у світі на той час відчувало потребу створення теорії тяжіння, яка б не суперечила створеній за 10 років до того спеціальній теорії відносності. Теорія стала найскладнішим творінням людського розуму, потребувала розвитку геометрії і топології, теорії диференціальних рівнянь, інших областей фізики.
Передбачений Айнштайном і спостережений 1919 року один із можливих ефектів – викривлення променя світла у полі тяжіння Сонця – приніс перший тріумф теорії і зробив автора знаменитим.
Наступні роки і десятиліття підтверджували інші передбачення теорії, одним із яких було передбачення існування гравітаційних хвиль, що генеруються при злитті нейтронних зір і чорних дір. Воно було виявлено 2015 року і трьох науковців (з понад тисячі співавторів відкриття) увінчано Нобелівською премією з фізики 2017 року.
Відкриття хвиль стало також непрямим підтвердженням існування чорних дір, а властивості зафіксованого гравітаційного випромінювання дозволили визначити дві єдині характеристики чорних дір – масу і обертовий момент.
Передбачення існування чорних дір (кажуть, що ця назва походить від назви жахливої в’язниці у Калькутті) як небесних тіл, які лише поглинають усю матерію, у тім числі і будь-яке випромінювання, належить не Айнштайну, а Шварцшільду, тоді як Айнштайн, навпаки, заперечував їх існування і, навіть, опублікував з цього приводу наукову працю!
Усі непрямо спостережувані до цього чорні діри обертаються, і саме тому деякі з них збирають біля себе з розірваних зір і газів акреційні диски, з яких потім чорна діра формує гігантські струмини з околу своїх полюсів.
Складний точний розв’язок рівнянь Айнштайна, який описує чорну діру, що обертається, отримав 1963 року Рой Керр. Один із тих, хто отримав згадану Нобелівську премію 2017 року – Кіп Торн – доволі довго переконував астрофізиків, які зафіксували високоенергетичні процеси у центрах більшості галактик, перестати називати ці області активними ядрами галактик, а пояснити джерело їх енергії на основі розв’язку Керра.
Зараз встановлено, що в центрі практично кожної галактики існує надмасивна (масою понад мільярд мас Сонця) чорна діра – діра Керра. Хоча до сьогоднішнього дня було незаперечно встановлено існування надмасивних надщільних об’єктів, які поглинають матерію і є невидимими, деякі фізики висловлювали сумніви в існуванні межі навколо цих об’єктів, з-під якої інформація про жодні події всередині недоступна, і названої тому горизонтом подій.
Саме тому мережа 8 радіотелескопів у різних частинах земної кулі отримала назву Телескоп горизонту подій. Діяльність Телескопа була тривалою, ще 2013 року на гравітаційній конференції у Варшаві я слухав доповідь на цю тему Авері Бродеріка з Канади (сьогодні він представив результати на прес-конференції у Вашінгтоні у Національному фонді наукових досліджень США).
А ось слайд (клацніть на зображення для збільшення) із тої його доповіді з передбаченою шляхом довгих аналітичних і чисельних обчислень тінню чорної діри в центрі нашої Галактики.
І саме це, як тінь реальної обертової (!) - це доводить несиметричний розподіл світних плям біля неї - чорної діри нам продемонстровано сьогодні. І вже це зображення (а отримано ще величезні об’єми інших даних) засвідчує, що чорна діра має горизонт подій! Сингулярність (точку, до якої би мала падати матерія) від нас надійно сховано!
Хоча сьогодні показано тінь чорної діри із галактики M87 (нашу чорну діру важче спостерігати із-за газо-пилових хмар, але експеримент триватиме) отримане зображення стало великим тріумфом багатокомпонентного наукового дослідження – від створеної 104 роки тому теорії через складний шлях розв’язку її рівнянь, через розвиток надзвичайно складної міліметрової радіоастрономії на основі значних технічних досягнень атомної і лазерної техніки, квантової електроніки, обчислювальної техніки і обчислювальних методів до того, що здавалося неможливим ще 20 років тому.
Дуже складні технічні роботи координувала Європейська комісія і її комісар у справах досліджень Моедас з гордістю за об’єднану Європу підкреслив її провідні позиції в науковій сфері, досвід глибокої співпраці і надихаючий приклад наукової творчості для європейської молоді.
Наука не бачить для себе меж. На сьогоднішній прес-конференції один з керівників проекту Heino Falcke на питання “Чи задоволені Ви результатом?” відповів: “Ні. Ми побачили очікуване”.
І найголовніше, що ми маємо з цього відкриття – гордість за людський розум. Невеликі істоти на маленькій планеті біля посередньої зірки на околиці Галактики зуміли досягнути надзвичайного успіху. Це дає впевненість, що вони зможуть зробити ще більш фантастичні речі – і для свого роду теж.
Про важливість події свідчить те, що прес-конференції, їй присвячені, одночасно почалися в Бельгії, США, Японії, Данії, Китаї, Чилі та на Тайвані в рамках міжнародного проекту "Телескоп горизонту подій" (Event Horizon Telescope). Щоб сфотографувати цю "рамку" чорної зорі, яка за розміром більша за всю Сонячну систему (близько 5 млрд км), потрібна була мережа з восьми телескопів, розташованих на різних континентах. Це одна з наймасовіших чорних дір, які теоретично можуть існувати.
Власне, до нині всі наші уявлення про чорні діри були винятково теоретичними. Їхнє реальне існування було лише науковою гіпотезою, хоч і дуже переконливою.
"Значущість нашого відкриття полягає в тому, що воно перетворило математичний концепт горизонту подій, який зазвичай являє собою написані на дошці формули, в реальний об'єкт – у щось, що можна перевірити, виміряти і спостерігати", – заявив один з керівників проекту Лучано Реццола.
Чорна діра — це простір з настільки сильною гравітацією, що навіть об'єкти, які рухаються зі швидкістю світла, не можуть її залишити. Можливість існування чорних дір на початку XX століття довели рівняння загальної теорії відносності Альберта Айнштайна, хоча сам вчений в це припущення не вірив. Але в другій половині минулого століття теорія чорних дір отримала додаткові докази завдяки застосуванню нових потужних телескопів. Зараз наукова спільнота практично не сумнівається в тому, що чорні діри існують, але через їхню велику віддаленість за ними ніхто не спостерігав – вчені лише припускали, який вони можуть мати вигляд, тобто існували тільки переконливі непрямі докази.
За таким же принципом фізики десятиліттями прицільно шукали передбачені раніше гравітаційні хвилі і бозон Гіґґса. І в результаті – після десятиліть пошуків – знайшли і одне, і друге.
Ще одна проблема знимкування чорних дір полягає в тому, що побачити її просто неможливо. Ми бачимо ті чи інші об'єкти, коли відбиті від них промені світла потрапляють на світлочутливі рецептори в наших очах чи елементи апаратури. Сила ж тяжіння чорної діри настільки велика, що подолати її не може жодне випромінювання.
Тому вчені зазнимкували не саму чорну діру, а її зовнішню оболонку, так званий горизонт подій, межу неповернення — в буквальному значенні, оскільки потративши за неї, вирватися назад неможливо.
Але зовні цієї межі у променів ще є можливість уникнути тяжіння. Вловити і сфотографувати ці промені, що пройшли по самому краю горизонту подій, але не були поглинені чорною дірою, протягом багатьох років намагався згаданий проект Event Horizon Telescope. Це складна мережа радіотелескопів, розташованих на різних континентах зі спільним аналізом інформації, створена для спостереження за надмасивними чорними дірами, які утворюють ядра більшості галактик. Астрофізики зосередилися на двох об'єктах. Одним з них стала "наша рідна" чорна діра Стрілець А*, розташована в центрі нашого Чумацького шляху на відстані близько 30 тис. світлових років від нас. Її маса перевищує масу Сонця в чотири мільйони разів, а розмір — у 18 разів. Другим об'єктом для спостереження була обрана згадувана вже чорна діра в галактиці Мессьє 87. Навіть за допомогою найпотужнішого телескопа розгледіти з землі ці чорні діри дуже важко. Астрофізик Дімітріос Пластіс з Арізонського університету порівняв це зі спробою сфотографувати DVD-диск, що лежить на місячній поверхні.
Щоб вирішити проблему, вчені з проекту "Телескоп горизонту подій" об'єднали десять радіотелескопів на різних континентах в один великий "віртуальний телескоп" — інтерферометр. Він дозволяє спостерігати об'єкт одночасно з різних точок; потім отримані дані об'єднують і обробляють. Астрофізики вели спостереження за двома чорними дірами протягом тижня в квітні 2017 року. Вони отримували приблизно по 350 терабайтів даних щодня; обробка цього обсягу інформації зайняла два роки.
Зібраної інформації було так багато, що переслати її інтернетом було просто неможливо: сотні жорстких дисків довелося завозити літаками в аналітичні центри в Бонні і Бостоні.
"Нам вдалося зробити те, що попередньому поколінню здавалося неможливим", – каже керівник проекту, професор Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики Шеперд Дойлеман.
фото і комп'ютерна модель на основі цієї знимки
Отож, на знимці ми бачимо ідеально круглу чорну діру, яку оточує "вогняне кільце" – спрямований в неї гарячий газ, розігрітий до неймовірних температур. Газ світиться так сильно, що яскравістю затьмарює кілька мільярдів зірок, розташованих в тій же галактиці, — тому його можна побачити з Землі.
Саме чорне коло – це область всередині горизонту подій, звідки світло вирватися вже не може. Там перестають діяти всі звичні нам закони фізики.
На черзі — візуалізувати ближчий (точніше, найближчий) до нас подібний об'єкт – оцю надмасивну чорну діру Стрілець A*, відому нам вже (чи лиш) 16 років. В жовтні 2002 року міжнародна дослідницька група Інституту Макса Планка на чолі з Райнером Шеделем повідомила про результати спостереження руху зірки S2 навколо об'єкта Стрілець A* за десять років. Вони доводили, що Стрілець A* — об'єкт величезної маси. Ці спостереження дозволили припустити, що об'єкт Стрілець A* пов'язаний з чорною дірою. В листопаді 2004 року була відкрита чорна діра середньої маси (1,3 тис. мас Сонця), що рухалася по орбіті на відстані трьох світлових років навколо об'єкта Стрілець A* та кластер з семи зірок, що імовірно є залишком колишнього масивного зоряного кластеру. Це відкриття дозволяє зробити висновок про те, що надмасивні чорні діри ростуть, поглинаючи навколишні малі чорні дірки і зірки.
Однак, попри значно ближчу віддаль (в дві тисячі раз), зробити фотографію Стрільця A* (10 мікросекунд дуги) значно складніше, ніж сфотографувати чорну діру в далекій галактиці Мессьє 87 (7 мікросекунд дуги), оскільки "вогняне кільце" горизонту подій в центрі нашого Чумацького шляху меншого розміру і не таке яскраве.
Фактично, метою спостережень була реєстрація не самої чорної діри, а її тіні, тобто сильного зниження яскравості світіння в центральній області зображення у зв'язку з викривленням траєкторії фотонів і відсутністю стабільних орбіт на кількох радіусів Шварцшильда. Відповідно, така тінь буде трохи більше розміру чорної діри – приблизно 42 мікросекунди дуги у випадку Мессьє 87. Саме цю тінь і змогли побачити астрономи з проекту EHT, який досяг мінімальної кутової роздільної здатності в 20 мікросекунд. Зафіксована форма тіні відповідає передбаченій Загальною теорією відносності.
галактика Мессьє 87
На даний момент роздільна здатність системи телескопів Event Horizon не дозволяє визначити точну форму активної області чорної діри і з якою швидкістю вона обертається. Згідно з поточними прогнозами, вона може бути подібна або на кільце неправильної форми, що обертається за годинниковою стрілкою, або на своєрідну перекошену «гантель», в центрі якої знаходиться чорна діра.
Іншим завданням науковців було дослідити релятивістські струмені (джети), струмені плазми, що вириваються з ядер астрономічних об'єктів.
Вважається, що надмасивні чорні діри – об'єкти з масою в мільйони і мільярди сонячних, безперервно притягають і поглинають матерію, але частина цієї здеформованої чорною дірою матерії викидається у вигляді таких джетів – пучків плазми, розігнаної до близькосвітлових швидкостей.
В нашій галактиці, а також і у низці інших, центральна чорна діра знаходиться в неактивному стані — вона не викидає джети. Вчені намагаються з'ясувати, коли вона "заснула" і наскільки активною була в минулому.
Дослідники сподіваються, що аналіз отриманих позаторік даних допоможе вирішити головну на нині загадку чорних дір – як з'являються джети і чому вони викидаються в космос з релятивістською швидкістю.
10.04.2019
Володимир ПЕЛИХ,
доктор фізико-математичних наук, заступник директора Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України
Серед багатьох сотень науковців і десятків установ, причетних до відкриття, представників України нема – причин багато, і всі зрозумілі. Поки весь світ зачудовано дивиться в небо, українців закликає на стадіон комік подивитись, як він вивчив написану йому роль державного діяча…
Одна ілюстрація про ставлення нашої держави до науки в Україні: зараз будується ще більш масштабна мережа черенковських телескопів, і зусиллями ентузіастів-науковців з Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С.Підстригача НАН України, Київського і Львівського національних університетів та за певної фінансової підтримки НАНУ Україна представлена у консорціумі. Проте хоча б кілька десятків тисяч євро, необхідних для повноцінної участі наших науковців у проекті з потенціалом відкриттів, більшим за Телескоп, на державному рівні досягнути не вдається.
Наша надія на успіх полягає у розвитку теоретичних досліджень – нам необхідний лише оперативний доступ до публікацій іноземних колег, а їх ми знаємо, де брати (спасибі Олексанбрі Єлбакян за SciHub) та участь в конференціях – от із цим гірше, добре, що підтримують польські, італійські, китайські колеги. Але ось оплатити публікацію у закордонному журналі установи не можуть! Через обмеженість особистого спілкування з колегами, навіть у Європі, працюємо повільніше, ніж вони. Ось зараз із своїм молодшим колегою Юрієм Тайстрою та академіком Валерієм Шульгою із Харкова готуємо публікацію з передбаченням зовсім іншого, ніж було відомо, характеру поляризаційних ефектів у полі чорної діри Керра. Поспішали це зробити до опрацювання результатів Телескопа горизонту, маємо сподіватись що нас не випередять і ефекту ще не знайдуть – він не лежить на поверхні. Передбачити ж значно цікавіше, ніж пояснити!
