Первое фото чёрной дыры

Фотография чёрной дыры — изображение тени сверхмассивной чёрной дыры, полученное в результате работы международного проекта Event Horizon Telescope (EHT) и впервые представленное научной общественности 10 апреля 2019 года. Снимок зафиксировал объект в центре галактики Messier 87 (M87), расположенной в созвездии Девы на расстоянии около 55 миллионов световых лет от Земли. Это первое в истории прямое наблюдение горизонта событий чёрной дыры, подтвердившее предсказания общей теории относительности Альберта Эйнштейна в сильном гравитационном поле.

Суть изображения

На фотографии видна яркая оранжево-красная кольцеобразная структура — аккреционный диск из раскалённого газа и пыли, вращающийся вокруг чёрной дыры, а также тёмная центральная область — так называемая «тень» чёрной дыры. Тень представляет собой область, из которой не выходит излучение: гравитация объекта настолько сильна, что фотоны, пересекающие горизонт событий, не могут покинуть его пределы. Диаметр тени на снимке составляет около 40 миллиардов километров, что примерно в три раза больше диаметра орбиты Плутона.

Изображение не является фотографией в привычном понимании — это результат компьютерной обработки и синтеза данных, собранных сетью радиотелескопов. Восстановление картинки потребовало применения сложных алгоритмов интерферометрии и калибровки, поскольку ни один отдельный телескоп не способен достичь необходимого углового разрешения.

Объект наблюдения

Чёрная дыра в галактике M87 — сверхмассивный объект с массой, оцениваемой примерно в 6,5 миллиарда масс Солнца. Она относится к классу активных галактических ядер и порождает релятивистский джет — струю плазмы, разогнанную до скоростей, близких к скорости света. Наблюдения EHT проводились в апреле 2017 года, когда сеть из восьми радиотелескопов на разных континентах одновременно вела запись сигнала на длине волны 1,3 миллиметра. Суммарное время наблюдений составило около 10 дней, однако объём полученных данных достиг 5 петабайт, что потребовало их физической транспортировки на жёстких дисках в вычислительные центры для обработки.

Технология Event Horizon Telescope

Event Horizon Telescope — международный проект, объединяющий десятки научных институтов по всему миру. Для получения изображения используется метод очень длинной базовой интерферометрии (VLBI), при котором несколько радиотелескопов, разнесённых на тысячи километров, работают как единый виртуальный инструмент с диаметром, сравнимым с размером Земли. В наблюдениях 2017 года участвовали телескопы, расположенные в США, Мексике, Чили, Испании, на Гавайях и в Антарктиде.

Угловое разрешение полученной системы составило около 20 микросекунд дуги — этого достаточно, чтобы разглядеть апельсин на поверхности Луны. Для синхронизации наблюдений применялись атомные часы сверхвысокой точности, а обработка данных велась в течение нескольких месяцев на суперкомпьютерах в Массачусетском технологическом институте (MIT) и в Боннском университете.

Подтверждение теории относительности

Форма и размер тени чёрной дыры, зафиксированные на снимке, в пределах погрешности совпали с предсказаниями общей теории относительности. Согласно расчётам, для чёрной дыры с массой 6,5 миллиарда солнечных масс радиус горизонта событий составляет около 19 миллиардов километров, а диаметр тени должен быть примерно в 2,6 раза больше. Наблюдаемое кольцо излучения имеет асимметрию — нижняя часть ярче верхней, что объясняется эффектом Доплера и вращением вещества в аккреционном диске со скоростью, близкой к скорости света.

Данные EHT также позволили уточнить оценку массы центральной чёрной дыры M87 и проверить альтернативные теории гравитации, которые предсказывали иные размеры тени. Наблюдаемая картина наилучшим образом согласуется с классической моделью Керра — вращающейся чёрной дыры, описываемой решениями уравнений Эйнштейна.

Изображение чёрной дыры Стрелец A*

12 мая 2022 года коллаборация EHT представила второе изображение — чёрной дыры Стрелец A (Sagittarius A), расположенной в центре Млечного Пути. Объект имеет массу около 4,3 миллиона масс Солнца и находится на расстоянии примерно 27 тысяч световых лет от Земли. Из-за меньшей массы и более быстрой изменчивости аккреционного потока получить его изображение оказалось сложнее: обработка данных заняла около пяти лет. На снимке видна аналогичная кольцевая структура, подтверждающая универсальность физических процессов вблизи горизонтов событий.

Научное и общественное значение

Публикация первого изображения чёрной дыры стала одним из самых значимых событий в астрофизике XXI века. Снимок был получен в результате работы более 300 исследователей из 60 научных организаций. За вклад в создание метода и получение изображения в 2020 году Нобелевская премия по физике была присуждена Роджеру Пенроузу (за теоретические работы по чёрным дырам), а также Райнхарду Генцелю и Андреа Гез (за открытие сверхмассивного объекта в центре Млечного Пути). Сам проект EHT Нобелевской премией не награждался.

Фотография вызвала широкий общественный резонанс, стала объектом многочисленных мемов и пародий, а также стимулировала интерес к науке среди широкой аудитории. Изображение неоднократно использовалось в научно-популярных изданиях, документальных фильмах и образовательных программах.

Критика и ограничения

Отдельные исследователи высказывали сомнения в корректности реконструкции изображения, указывая на возможные артефакты обработки данных. В ответ коллаборация EHT опубликовала несколько альтернативных алгоритмов восстановления, которые дали согласующиеся результаты. В 2024 году группа китайских учёных предложила метод, основанный на первичных данных интерферометрии, который также подтвердил основные черты изображения. Тем не менее, угловое разрешение EHT ограничено длиной волны наблюдений и размером земной базы, поэтому детали структуры аккреционного диска остаются предметом дальнейших исследований. Планируется расширение сети телескопов, включая размещение инструментов в космосе, что позволит получить более чёткие изображения.

Источники

• Event Horizon Telescope Collaboration, «First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole», The Astrophysical Journal Letters, 2019.
• Event Horizon Telescope Collaboration, «First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way», The Astrophysical Journal Letters, 2022.
• Доклады пресс-конференций EHT от 10 апреля 2019 года и 12 мая 2022 года.
• Материалы Нобелевского комитета по физике за 2020 год.