Беседа с астрофизиком Ольгой Сильченко о знаменитой фотографии тени черной дыры, проекте Event Horizon Telescope и рождении галактик

15 AUGUST 2019

Event Horizon Telescope collaboration et al.

Редактор ПостНауки Алена Селичева побеседовала в прямом эфире с Ольгой Сильченко — доктором физико-математических наук, заведующей отделом физики эмиссионных звезд и галактик ГАИШ МГУ.

— 10 апреля 2019 года астрофизики объявили о том, что они получили первое в истории изображение черной дыры, которая находится в центре галактики М 87 в созвездии Девы. Что мы видим на этом снимке?

— Черная дыра — это невидимый, но сильно гравитирующий объект, который притягивает к себе все, что к ней приближается. Радиус окрестностей, которые становятся своего рода могилой для всего, что в них попадает, прямо пропорционально связан с массой черной дыры. Поэтому если мы знаем массу черной дыры, то мы точно знаем, на какое расстояние к ней нельзя приближаться, чтобы в нее не свалиться. Это расстояние называется горизонтом событий.

Астрофизики получили изображение не самой черной дыры, а ее тени. Яркое колечко на картинке — это аккреционный диск черной дыры, состоящий из очень горячего газа. А черное пятно в центре — это тень черной дыры, то есть лучи света, которые шли к нам на некотором расстоянии от нее, но не смогли прорваться к нам и были изогнуты гравитацией черной дыры. Радиус тени примерно в 2,5 раза больше горизонта событий.

— Что мы знаем о черной дыре в галактике М 87?

— Галактика М 87 — это очень крупная эллиптическая галактика, которая находится в центре скопления галактик Virgo, в созвездии Девы. Это практически самое близкое к нам скопление галактик. Поэтому ученые, изучающие скопления галактик, первым делом смотрят на Virgo. М 87 является гравитационным центром скопления. За время жизни скопления эта галактика нагребла на себя массу с других окружающих ее галактик, поэтому она такая большая.

Как известно, в центре практически каждой галактики есть черная дыра, масса которой прямо пропорциональна массе галактики. Сверхмассивная черная дыра в M 87 чрезвычайно крупная — ее масса равна примерно 6 милллиардам солнечных масс, что составляет 0,2–0,3% от массы всей галактики, — и очень активная. Она выбрасывает джеты — узкие и длинные струи плазмы. Эти струи являются переработанным газом аккреционного диска. Сначала газ аккреционного диска сваливается на черную дыру, а потом выбрасывается оттуда в виде узконаправленных струй.

— Почему ученые не могли получить такое изображение раньше?

— До скопления Virgo и галактики М 87 примерно 16–17 мегапарсек, или порядка 50 миллионов световых лет. Чтобы получить изображение тени черной дыры с такого расстояния, нужно очень хорошее пространственное разрешение телескопов. Земные наблюдения даже в очень хорошем астроклимате, как правило, ограничены. Один телескоп ограничен пространственным разрешением доли угловой секунды. Чтобы увидеть тень черной дыры в галактике М 87, пришлось достигнуть пространственного разрешения 10 ^-5 угловой секунды. С таким разрешением могут наблюдать только интерферометры — система из нескольких телескопов, разнесенных на достаточное расстояние между собой.

Проект Event Horizon Telescope, с помощью которого наблюдали дыру в М 87, — это уникальная система. В нее входили восемь телескопов, разнесенные практически на диаметр Земли. Телескопы стояли в Антарктиде, на Гавайях, в Испании и наблюдали черную дыру на длине волны 1,3 мм. Их наблюдения были синхронизированы с помощью чрезвычайно точных атомных часов, поэтому телескопы, разделенные многими тысячами километров, работали абсолютно синхронно, что позволило свести все полученные ими данные в единую картинку. Чтобы обработать петабайты данных, потребовались огромные мощности и программное обеспечение, которое разрабатывалось специально для этих уникальных наблюдений, поэтому создание этой картинки заняло много времени.

— Что это изображение дало науке?

— На обычного человека изображение черной дыры производит сильное впечатление. Но мы, астрофизики, не были удивлены, потому что эти данные полностью соответствовали нашим представлениям о том, как она должна выглядеть. Для нас самой впечатляющей вещью здесь является уникальный интерферометр, который позволил получить эту картинку. Вот если бы мы увидели на ней что-то другое, это бы действительно нас шокировало.

Нельзя сказать, что мы по этой картинке поняли, как устроены черные дыры. Мы увидели, что черная дыра — это черная дыра, то есть темный гравитирующий объект. Из данных, которые существовали до этого изображения, не следовало напрямую, что в центре M 87 находится именно черная дыра. Когда вам говорят, что в центре каждой галактики есть черная дыра, это некая экстраполяция. На самом деле в центре каждой галактики находится темный гравитирующий объект. И чтобы доказать, что это именно черная дыра, а, допустим, не скопление нейтронных звезд, нужно подобраться очень близко, дойти практически до горизонта событий. Чем ближе мы подбираемся к объекту, тем меньше возможностей для других истолкований.

Еще мы увидели, что мы не очень сильно промахнулись по оценке массы. Мы рассчитываем массу черной дыры, наблюдая вращение газа и звезд в гравитационном поле галактики. Чем ближе к центру галактики, тем лучше, так как там вклад темной материи в гравитацию минимален и доминирует звездная компонента. Сначала мы рассчитываем массу звездной компоненты, затем, по Ньютону, гравитацию. И потом мы видим, что пробные частицы в этом гравитационном поле движутся значительно быстрее, чем предписывает гравитация звездного компонента. Избыток гравитирующей массы мы приписываем массе черной дыры, которая не излучает, но гравитирует.

Масса черной дыры в М 87 оценивалась по скорости вращения газового диска вокруг нее. Честно говоря, эти работы мне внушали некоторые подозрения, ведь всегда есть опасность, что измеряется не точная скорость кругового вращения, а суперпозиция разных движений. Чтобы по скорости вращения газового диска точно оценить массу центрального объекта, нужно, чтобы это вращение было круговым, правильным, а так как из дыры в М 87 бьют джеты, в диске могут быть и некруговые движения. Но у астрофизиков не было другого способа оценить массу черной дыры. И оценка в 6 миллиардов солнечных масс оказалась правильная: мы увидели тень нужного размера. Это очень радует.

— Но как черная дыра может выбрасывать гигантские струи плазмы, если она притягивает даже свет?

— Выбрасывает, конечно, не сама черная дыра, а аккреционный диск вокруг нее. Вокруг активных черных дыр вращается компактный газовый диск радиусом порядка одного парсека. В таком газовом диске работает вязкость. И газ не просто крутится, а потихоньку сдвигается к центру. Скорость, с которой газ течет по радиусу к центру, зависит от разных условий: массы, температуры газового диска. И бывают такие условия, что газ течет к центру по радиусу аккреционного диска так быстро, что черная дыра, хотя она и заглатывает его, не может его переработать полностью. Этот избыток выбрасывается в центральных областях аккреционного диска перпендикулярно ему. Но почему эти струи-джеты такие узкие? Очевидно, потому, что там есть магнитные поля, которые фокусируют газовый поток.

— Как формируется галактика и какова роль черной дыры в этом процессе?

— Черные дыры впервые были обнаружены по очень быстрому движению газа и звезд в центрах галактик. Мы можем посчитать, какую гравитацию создает звездная компонента в центре галактики. Когда начались наблюдения с космическим телескопом Хаббла с разрешением тогда еще 0,1 угловой секунды, было обнаружено, что вблизи центра звезды и газ движутся значительно быстрее, чем если бы притягивали только звезды. И тогда заговорили о сверхмассивных черных дырах, то есть объектах, которые вносят вклад не в излучение, но в гравитацию.

Когда была замечена связь между массой черной дыры и массой галактики, первым делом возникла идея, что черные дыры и галактики растут одновременно. Это хорошо укладывалось в представление о том, как формируются, растут и эволюционируют галактики. Каждая галактика набирает свою звездную компоненту через превращение газа в звезды. Процесс звездообразования очень бурный. Массивные звезды, которые рождаются из газа, живут недолго, но очень много выдают энергии как в излучении, так и в звездном ветре, турбулизуют газовую среду. Из-за того, что газ очень сильно теряет равновесие, он может падать в центр и подпитывать черную дыру, и она будет расти практически одновременно и пропорционально звездной компоненте. Это была очень красивая идея. Но, к сожалению, наблюдения не подтвердили, что это действительно так.

В последние годы телескопы достигли очень ранних стадий эволюции Вселенной. Мы наблюдаем далекие объекты в красных смещениях 6, 7, 8, которые относятся к эпохе менее миллиарда лет после Большого взрыва. Красное смещение — это наблюдаемое для всех далеких галактик и квазаров (активных ядер галактик) понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга. Если предположить, что квазары и галактики росли одновременно, то этого времени не хватает для того, чтобы вырастить черную дыру с массой миллиард солнечных масс в спокойном режиме. И невозможно даже представить режим, в котором это было бы возможно. Поэтому сейчас стала популярна идея, что существовали некие зародыши черных дыр, которые постепенно стали обрастать галактиками. То есть черные дыры — это нечто первичное.

— Но как в таком случае появились черные дыры?

— Это очень сложный вопрос. До того как выяснилось, что существовали зародыши сверхмассивных черных дыр массой 10³–10⁵ масс Солнца, предполагалось, что самые первые черные дыры — это продукты эволюции массивных звезд. Это было гипотетическое звездное население типа 3, которое образовалось на заре эволюции Вселенной из водорода и гелия. Эти звезды с типичными массами несколько сотен масс Солнца эволюционируют менее чем за миллион лет и схлопываются в черные дыры звездных масс, меньше ста масс Солнца. Такие черные дыры сейчас наблюдает LIGO, когда ловит гравитационные волны от их слияния. Но как получить зародыши массой 10³–10⁵ масс Солнца? Сейчас расцветает пышным цветом целый букет теорий, и ни одна из них пока не является общепринятой. А некоторые из них и вовсе экзотические.

— Может ли наше Солнце в процессе эволюции стать черной дырой?

— Не может. Нашему Солнцу для этого не хватит массы. В черную дыру может схлопнуться под действием собственной гравитации только очень массивная звезда. А наше Солнце, масса которого равна одной солнечной массе, на общей шкале является очень маленькой звездой. Звезды, у которых масса меньше 8 масс Солнца, в конце жизни остывают и превращаются в белые карлики. Маленькие звезды тоже сжимаются под действием собственной гравитации, но не так сильно, как большие.

— Может ли существовать черная дыра, если ей нечем питаться?

— Может. Например, Стрелец A*, черная дыра в центре нашей Галактики, плохо питается. Мы всего в 8 килопарсеках от нее, это довольно близко. И поэтому даже в оптических наблюдениях — конечно же, в хороших астроклиматических условиях — мы видим звезды совсем близко к этой черной дыре, в доле парсека. Эти звезды вращаются вокруг черной дыры очень быстро. Одна из этих звезд под названием S2 за 15 лет полностью замыкает эллиптическую орбиту. Ученые просто долгие годы фотографировали центр галактики и следили, как год за годом эта звезда смещалась и в конце концов замкнула орбиту. Выяснилось, что строго по Кеплеру в фокусе эллипса сидит гравитирующий объект с массой 4 миллиона солнечных масс.

Наша черная дыра не светит. Он не выбрасывает джетов. Ни в оптике, ни в ближнем инфракрасном диапазоне нет постоянного излучения от нашей черной дыры. В рентгене очень-очень слабый поток. Его с трудом там нащупали. Но гравитация показывает, что она там точно есть. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, орбита объектов у черной дыры должна немного поворачиваться. И она действительно поворачивается строго согласно предсказаниям: когда S2 замкнула орбиту во второй раз, стало заметно, как сдвигается точка орбиты, наиболее близкая к черной дыре.

— А почему ученые наблюдали за черной дырой в Деве, а не в нашей Галактике?

— На пресс-конференции это толком не объяснили. Известно было и по слухам, и по предварительным статьям, что на самом деле они наблюдали два объекта: нашу черную дыру Стрелец A* и дыру в M 87. Почему именно их? Наша черная дыра не очень массивная, но зато самая близкая из сверхмассивных черных дыр. А черная дыра в М 87, хоть и подальше, имеет колоссальную массу.

Я не вхожу в проект EHT и могу только предполагать. Возможно, с нашей черной дырой у них просто ничего не получилось. Чтобы интерферометр мог построить красивую картинку, лучи не должны идти через очень турбулентную газовую среду. Мы вместе с нашим Солнцем находимся в диске нашей Галактики и смотрим на центр через 8 килопарсек межзвездной среды. Когда субмиллиметровые лучи идут к нам от черной дыры, по пути из-за турбулентности газовых облаков могут возникнуть разнообразные мерцания, из-за которых интерферометр не может построить такую же красивую картинку, как для черной дыры в М 87.

— В фильме «Интерстеллар» черная дыра — это кротовая нора. Может ли это быть на самом деле?

— К нашей Вселенной сейчас прикладывают самые разные теории. Есть и такие, которые позволяют отождествлять черную дыру с кротовой норой, которая соединяет соседние вселенные. Если вы падаете в черную дыру в нашей Вселенной, то в соседней вы вылетаете наружу из белой дыры. Но есть много почтенных теорий, в которых такие кротовые норы невозможны.

— Может ли одна черная дыра вращаться вокруг другой черной дыры?

— Может. Когда теоретики строили свою теорию одновременного построения звездной массы галактики и массы центральной черной дыры, они предполагали, что важным событием в жизни галактики является слияние с другой галактикой. Если сливаются две массивные галактики, их черные дыры оказываются в центре суммарной галактики и некоторое время составляют двойную систему. В конце концов они сливаются, и мы можем наблюдать за гравитационными волнами.

— В какой момент умирает черная дыра?

— Мне кажется, они могут жить вечно. Существует механизм испарения черных дыр по Хокингу, но он работает только для совсем крошечных черных дыр. Сверхмассивные черные дыры, наоборот, нагребают на себя массу и только растут.

— Получается, черная дыра в итоге съест нашу Галактику?

— В нашей Галактике очень скромная черная дыра: она дотягивается до полпарсека от себя. А до нас ей еще 8 килопарсек. Чтобы ее почувствовать, нужно подойти к ней очень близко. За ближайшие миллиарды лет она вряд ли вырастет, потому что аккреция на нее практически не идет, и пока неясно, за счет чего она может увеличиться.

— А как рассчитывают массу поглощаемого вещества?

— Чтобы такая компактная система, как черная дыра, излучала столько энергии, нужно, чтобы масса газа очень эффективно перерабатывалась в излучение. Еще в 1970-е годы наши отечественные ученые Шакуро и Сюняев разработали механизм дисковой аккреции на черную дыру. Это самый эффективный механизм перевода массы газа в излучение. Как известно, энергия покоя любой массы — это mc². При дисковой аккреции удается излучать 10% этого mc². То есть именно эта система с дисковой аккрецией оказалась очень эффективна для переработки массы газа в излучение. Поэтому теперь мы темп аккреции так и оцениваем: измеряем светимость квазара, делим на 10 и получаем mc² газа, который притягивает эта черная дыра.

— Мы когда-нибудь узнаем, что внутри у черной дыры?

— Теоретики уже сейчас могут рассказать, что там сингулярность. Но я как наблюдатель не могу вам объяснить, что это такое. Я только знаю, что все, что туда падает, пропадает бесследно. И вернуться оттуда уже нельзя. Пронаблюдать это мы, естественно, тоже не сможем.

Это расшифровка интервью из Рубки ПостНауки, а послушать его полностью можно здесь.

https://postnauka.ru/talks/101611?utm_referrer=https:%2F%2Fzen.yandex.com