Черная дыра в сердце Млечного Пути: тонкости эксперимента

Сеть радиотелескопов EHT (коллаж: на самом деле они расположены в разных точках земного шара). eso.org
Сеть радиотелескопов EHT (коллаж: на самом деле они расположены в разных точках земного шара). eso.org
Борис Штерн
Борис Штерн
Андрей Лобанов
Андрей Лобанов

Продолжаем обсуждение результатов Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) по черной дыре в центре нашей Галактики (предыдущая заметка: [1]). На сей раз — взгляд изнутри: член команды EHT Андрей Лобанов, науч. сотр. Института радиоастрономии Общества Макса Планка, отвечает на вопросы Бориса Штерна.

— Мы не будем затрагивать общие вопросы, поскольку расхожие сведения про черную дыру в центре Галактики и ее «снимок» где только не публиковались. Предлагаю поговорить о наиболее тонких и наименее очевидных деталях эксперимента. Первый вопрос: что представляет из себя поток данных на Телескоп горизонта событий? Там много микроволновых антенн, разбросанных по всей Земле. Что приходит на каждую из них, какой поток данных? Просто чтобы люди представляли, с чем приходится иметь дело тем, кто занимается обработкой.

— На каждой из антенн вся получаемая информация записывается на жесткие диски, которые свозятся в один корреляционный центр, где начинается совместная обработка всех данных. Запись данных идет в широком формате, в полосе шириной в 4 гигагерца. Чтобы записать такую полосу, используется два бита кодирования, записываются две поляризации, и общая скорость записи получается 32 гигабита в секунду. (Терабайтный диск — за 4 с небольшим минуты. — Б. Ш.) Это очень серьезная скорость записи — на настоящий момент самая большая в радиоастрономии, но готовятся системы, которые превзойдут этот поток в 8 раз. То есть мы рассчитываем, что для следующего поколения радиотелескопов запись будет идти со скоростью 256 гигабит в секунду.

— Сколько примерно нужно времени для экспозиции Стрельца А*, чтобы накопить статистику для более-менее пристойной картинки?

— Тот метод, которым мы пользуемся, называется методом апертурного синтеза и привязан к вращению Земли. Стандартное время наблюдений — примерно пол-оборота Земли. Нам не надо ждать сутки, поскольку данные могут симметризоваться и достаточно половины оборота Земли, чтобы достичь оптимального качества изображения. В случае со Стрельцом А* основная проблема в том, что структура меняется гораздо быстрей, чем стандартные 12–16 часов наблюдения.

— Но я видел в одной из шести статей нечто вроде попыток сделать фильм. У вас же не только апертурный синтез из-за вращения Земли, у вас много станций, работающих одновременно. Казалось бы, вы можете делать гораздо более короткие экспозиции.

— Именно так. Апертурный синтез даже на 20 секундах будет таковым, если у вас есть достаточно измерений, из которых можно попытаться восстановить структуру. Именно этим наша коллаборация занимается сейчас для восстановления динамической эволюции структуры в Стрельце А*. Однако основная трудность здесь в следующем. Пока мы копим наш сигнал, используя вращение Земли, мы, во-первых, уменьшаем тепловой шум — грубо говоря, увеличивается число измерений. Во-вторых, мы как раз заполняем эту самую виртуальную апертуру за счет того, что расположение антенн по отношению к источнику меняется. Оба этих фактора очень важны для успешного восстановления структуры источника. Без них повышается тепловой шум и ухудшается заполнение Фурье-плоскости. Из-за этого мы пропускаем больше информации о структуре источника. Если из-за короткой экспозиции мы упустили какие-то пространственные частоты, то мы упустили и информацию о структурах, которые на них влияют. Качество картинки ухудшается, причем значительно и, с уменьшением времени наблюдений, очень быстро. Переменность у Стрельца А* — от 20 минут до двух часов в зависимости от того, какая это переменность: связанная с вращением или с какими-то вспышечными явлениями. Если мы хотим прокартографировать орбитальное движение, то нам нужно из 12 часов вырезать сегменты по 2–5 минут. Из-за этого реальный шум на карте увеличится более чем на порядок, практически на два порядка. Поэтому такие кадры (snapshots) получаются не настолько качественными, как вся картина. Но с другой стороны, из-за переменности структуры общая картина тоже окажется размытой — это всё равно что пытаться с большой выдержкой сфотографировать колесо, вращающееся с большой скоростью.

— Хорошо, а если бы объект был на порядок или два ярче, хватило бы статистики, чтобы успеть получить картинку в пределах орбитального периода?

— Тепловой шум не так бы мешал, а недостаток структурной чувствительности, дефицит заполнения пространственных частот в Фурье-плоскости, остался бы. От него никуда не денешься. Его можно побить только одним способом — увеличить количество антенн, которые одновременно наблюдают источник. Это задача следующего поколения EHT.

— Вопрос немного в сторону. Сравнение М87 и Стрельца А* — как они соотносятся по наблюдаемой яркости?

— На тех частотах, на которых мы работаем, они примерно одинаковы.

— Интересно: и по угловому размеру почти одинаковы, и по яркости?

— М87 приблизительно в две тысячи раз дальше, в две тысячи раз массивнее и в четыре миллиона раз мощнее Стрельца А*, поэтому и яркость, угловой размер у обоих источников оказываются примерно одинаковыми.

— Теперь по поводу самого изображения объекта. Насколько однозначна его реконструкция с учетом количества станций?

— В случае со Стрельцом это не настолько однозначно и не настолько надежно, как в случае с М87 — как раз из-за очень быстрой переменности структуры. В М87 изменения происходят на масштабах нескольких дней — и там во время одного 12-часового сеанса на Телескопе горизонта событий мы наблюдаем практически застывшую картину источника. В Стрельце из-за быстрой переменности задача на порядок сложнее. Именно поэтому было принято решение сначала обрабатывать и выпускать данные по М87. Сразу было понятно, что получение адекватной картины в Стрельце займет гораздо больше времени.

— В одной из работ по поводу Стрельца А* приведена попытка реконструкции численной симуляции (рис. 1). На симуляции четко получается колечко (фотонная сфера) и спиральные завитки от аккреционного диска — с одной стороны ярче, чем с другой, вроде всё понятно. В результате надо было ожидать, что получится кольцо с более ярким полумесяцем с одной стороны. Ан нет! На реконструкции мы почему-то видим, что полумесяц расползся на два пятна. Почему изображение дробится? Это какие-то характерные артефакты?

 Рис. 1. Иллюстрация эффекта быстрой переменности в аккреционном диске вокруг черной дыры в Стрельце А*, в котором минимальный орбитальный период составляет около 20 минут, а типичное время жизни вспышки, порождаемой горячим пятном в диске, оценивается примерно в 2,5 часа. Левая панель показывает мгновенное изображение диска, полученное по результатам численного моделирования. На средней панели показано изображение диска, усредненное за период около 12 часов, соответствующий типической длительности одного сеанса наблюдений на EHT. По результатам численного моделирования были рассчитаны синтетические данные, соответствующие 12-часовому наблюдению EHT переменной структуры в Стрельце А*, и правая панель показывает изображение, восстановленное из этих данных
Рис. 1. Иллюстрация эффекта быстрой переменности в аккреционном диске вокруг черной дыры в Стрельце А*, в котором минимальный орбитальный период составляет около 20 минут, а типичное время жизни вспышки, порождаемой горячим пятном в диске, оценивается примерно в 2,5 часа. Левая панель показывает мгновенное изображение диска, полученное по результатам численного моделирования. На средней панели показано изображение диска, усредненное за период около 12 часов, соответствующий типической длительности одного сеанса наблюдений на EHT. По результатам численного моделирования были рассчитаны синтетические данные, соответствующие 12-часовому наблюдению EHT переменной структуры в Стрельце А*, и правая панель показывает изображение, восстановленное из этих данных

— Тут две причины. Основная — тот самый дефицит пространственных частот, потому что наша апертура не заполнена целиком и у нас нет полной информации о структуре объекта. Вторая — чисто алгоритмическая. Каждый метод восстановления изображения использует свою оптимизацию, свои факторы и свои параметры, определяющие качество оптимизации. Сейчас в Телескопе горизонта событий используется четыре метода восстановления изображения — у каждого из них есть свои положительные и отрицательные стороны. Одним методом можно добиться лучших результатов для одних структур, другим — для других. Именно поэтому появляются разночтения и разногласия даже в случае восстановления изображений из модельных данных. Картинка, полученная численным моделированием, совершенна в плане разрешения — его можно считать бесконечно высоким, так что в изображении значим каждый пиксель. Мы видим уже не пиксель, а функцию размывания точки, плюс артефакты из-за непромеренных пространственных частот, плюс различные виды ошибок — калибрационные, по фазе, по амплитуде. Их добавляют в синтетические данные, для того чтобы они были как можно более близки к реальным. Все эти ошибки тоже переходят в картинку, и это очень важно иметь в виду именно для Телескопа горизонта событий, поскольку проблемы с калибровкой и ошибками данных растут если не экспоненциально, то более чем линейно с увеличением частоты. И стабильность фазы, и качество амплитудных измерений — всё становится хуже на более высоких частотах. Именно поэтому даже из синтетических данных, полученных на основе численных моделей, могут выходить изображения с такими артефактами.

Рис. 2. Изображение Sgr A*, опубликованное 12 апреля в головной статье3. На нижней панели — усредненные изображения морфологических групп (кластеров), отобранных из множества картинок, полученных в разных предположениях
Рис. 2. Изображение Sgr A*, опубликованное 12 апреля в головной статье3. На нижней панели — усредненные изображения морфологических групп (кластеров), отобранных из множества картинок, полученных в разных предположениях

— Теперь смотрите: вот это конечное парадное изображение (рис. 2), на котором видны три пятна, смущает многих людей и вызывает у них вопрос: казалось бы, три пятна должны быть размазаны. Понятно, что диск может быть несимметричен по яркости просто из-за вращения, точнее из-за доплеровского усиления светимости части диска, которая приближается к нам. Одно пятно было бы понятным. Три пятна приводят народ в изумление. Как вы считаете, это артефакт?

— Скорее всего, это действительно артефакт какого-то рода. Возникает он из-за того, что мы наблюдаем источник 12 часов, он меняется за это время, и эти изменения отражаются на конкретных базах — парах антенн с конкретными положениями. Соответственно, если во время наблюдений произошла вспышка, которая длилась только часть времени наблюдений, то, скорее всего, она отразится на картинке в определенных структурных качествах, и это отражение не обязательно будет размыто по всему позиционному углу, оно может сконцентрироваться в какой-то части картинки. Плюс алгоритмы тоже не абсолютно совершенны — например, все они испытывают затруднения при восстановлении изображения, в котором яркость объекта распределена совершенно равномерно. В самом деле, один из самых худших вариантов для восстановления изображения — это равномерно освещенный диск. Эту равномерность освещения не может идеально воспроизвести практически ни один алгоритм. Они все превращают равномерный диск в более-менее волнистую структуру. Так что эти три пятна — отражение каких-то физических процессов, которые происходят на коротких масштабах времени. Мы их должны усреднять, поскольку наблюдали 12 часов. В результате при реконструкции изображения из этих усредненных данных каждый алгоритм, минимизируя разность между моделью и измерениями, пытается создать структуры, которые помогают сделать приближение лучше. Помогают ли они нам лучше понять что-то про такой быстропеременный источник — это еще большой вопрос.

— А если добавить антенн, эти проблемы исчезнут?

— Скорее всего, да — в определенный момент. С участием в наблюдениях большего количества антенн заполнение плоскости (u, v), которую мы называем плоскостью пространственных частот, станет гораздо лучше, и будет легче устранять артефакты, возникающие из-за переменной структуры.

— Спасибо, это очень важно сообщить людям. Теперь давайте подытожим то, что понято наверняка. Кольцо — это стопроцентный факт?

 Рис. 3. Распределения отношения сигнала к шуму (верхняя панель) и амплитуды (нижняя панель), измеренные EHT в Стрельце А*. Распределения показаны в зависимости от расстояния (baseline) между различными парами антенн. Единица расстояния, Gλ, соответствует 109 длин наблюдения, λ. Измеренные значения амплитуд приближаются к нулю на расстояниях около 2,3 Gλ и 6,2 Gλ, что является характерной особенностью интерферометрического сигнала от кольцеобразной структуры
Рис. 3. Распределения отношения сигнала к шуму (верхняя панель) и амплитуды (нижняя панель), измеренные EHT в Стрельце А*. Распределения показаны в зависимости от расстояния (baseline) между различными парами антенн. Единица расстояния, Gλ, соответствует 109 длин наблюдения, λ. Измеренные значения амплитуд приближаются к нулю на расстояниях около 2,3 Gλ и 6,2 Gλ, что является характерной особенностью интерферометрического сигнала от кольцеобразной структуры

— Кольцо, я бы сказал, — действительно стопроцентный факт. Из тех данных, которые представлены в статьях о Стрельце, очень сложно было бы получить изображения, в которых не было бы кольцеобразной структуры. Интересный момент здесь заключается вот в чем. Когда мы наблюдаем что-то на интерферометре, нам особенно важны те места в плоскости пространственных частот, где измеренная амплитуда уходит в ноль. Во многих других инструментах такие измерения можно просто выбрасывать, поскольку они не дают дополнительной информации. А с точки зрения интерферометрии это одни из важнейших мест, которые надо аккуратнейшим образом промерить и обязательно учитывать эти измерения при обработке данных. Если вы вспомните иллюстрации, которые приведены в статьях, на нескольких из них показано распределение амплитуды в зависимости от расстояния между антеннами (рис. 3). И оно падает к нулю, потом возвращается назад, потом снова падает и снова возвращается. Измерения с малыми амплитудами формально практически не имеют значимого сигнала, но если мы выбросим все эти измерения, то исчезнет чувствительность к кольцеобразной структуре. И тогда алгоритмам восстановления изображений было бы проще промоделировать оставшиеся данные какой-либо другой структурой. И вот как раз именно наличие этих аккуратно промеренных «нулей» в распределении амплитуды и позволяет нам быть уверенными в реальности кольцеобразной структуры и в Стрельце, и в М87.

— В одной из работ приводятся разные варианты наклона плоскости аккреционного диска к лучу зрения. И делается вывод, что мы видим диск скорее плашмя, чем с ребра. Как это выяснили? По идее, если бы мы видели его с ребра, то мы бы всё равно видели фотонную сферу как кольцо, а сам аккреционный диск — в виде дуг сверху и снизу из-за линзирования. Плюс перемычка посередине — как на картинке из фильма «Интерстеллар» (рис. 4). Является ли утверждение, что мы видим диск плашмя, следствием того, что мы не видим перемычки посередине? Или это какой-то другой эффект?

 Рис. 4. Численное моделирование в двух вариантах: диск плашмя (слева) и диск с ребра (справа). Слабая перемычка на правом рисунке — прямое изображение части диска перед черной дырой. Полудуги сверху и снизу — линзированные изображения задней части аккреционного диска. Левый вариант согласуется с наблюдениями, правый — нет
Рис. 4. Численное моделирование в двух вариантах: диск плашмя (слева) и диск с ребра (справа). Слабая перемычка на правом рисунке — прямое изображение части диска перед черной дырой. Полудуги сверху и снизу — линзированные изображения задней части аккреционного диска. Левый вариант согласуется с наблюдениями, правый — нет

— Выводы о наклоне диска и о наклоне оси вращения черной дыры сделаны на основании сравнения наблюдений с результатами численного моделирования различных типов аккреционных дисков, расположенных под разными углами к лучу зрения (рис. 5). Это уже приближение второго рода — здесь мы берем численные модели, у которых есть свои неопределенности, и сравниваем их не с данными, а с восстановленным изображением. И пытаемся из этого сравнения найти оптимальные варианты. Если посмотреть на результаты, приведенные в пятой из статей о Стрельце, то там есть картинка, где зеленым цветом обозначены наиболее благоприятные углы наклона диска. Вкрапления зеленых сегментов есть не только в области малых углов наклона, но и в других местах. Это означает, что полученные результаты можно интерпретировать скорее как указание на возможность, а не как достоверное утверждение, что аккреционный диск лежит плашмя и что ось вращения черной дыры отклонена от луча зрения не более чем на 50 градусов. У меня такое ощущение, что всё здесь может еще и поменяться с точки зрения чистой интерпретации, потому что модели и изображения могут быть улучшены. Но с точки зрения физики такой экстремальный угол наклона черной дыры ничем не запрещается. С точки зрения динамики и эволюции Галактики это возможно. Неожиданно, но возможно.

 Рис. 5. Оценка оптимальных параметров ориентации и вращения черной дыры и аккреционного диска в Стрельце А*, сделанная путем сравнения измерений EHT и результатов численного моделирования, проведенного для различных типов аккреционных дисков (стандартный диск, SANE, и магнитно-зафиксированный диск, MAD), различных углов наклона оси вращения (i) по отношению к лучу зрения и различных значений углового момента черной дыры (a*), где отрицательные значения а* означают, что черная дыра и аккреционный диск вращаются в противоположные стороны. Различными цветами обозначены области параметров, в которых численные модели не проходят по всем критериям сравнения (красный цвет), частично (желтый) или полностью (зеленый) удовлетворяют этим критериям
Рис. 5. Оценка оптимальных параметров ориентации и вращения черной дыры и аккреционного диска в Стрельце А*, сделанная путем сравнения измерений EHT и результатов численного моделирования, проведенного для различных типов аккреционных дисков (стандартный диск, SANE, и магнитно-зафиксированный диск, MAD), различных углов наклона оси вращения (i) по отношению к лучу зрения и различных значений углового момента черной дыры (a*), где отрицательные значения а* означают, что черная дыра и аккреционный диск вращаются в противоположные стороны. Различными цветами обозначены области параметров, в которых численные модели не проходят по всем критериям сравнения (красный цвет), частично (желтый) или полностью (зеленый) удовлетворяют этим критериям

— То есть это не стопроцентный результат, но лишь некоторое указание — пока к этому можно так относиться?

— С точки зрения интерпретации полученных данных у нас две самых важных задачи. Первая — определить, как согласуется то, что мы видим, с предсказаниями общей теории относительности и с другими измерениями массы черной дыры. И вторая — сделать то, что можем только мы: попробовать нащупать ориентацию диска и восстановить какие-то его другие параметры. Но это действительно сложно и не так однозначно.

— Но зато это интересно. Там же в динамике звезд в центре тоже какой-то диск просматривается — Андрей Белобородов обнаружил. Есть даже рассуждения, что это бывший аккреционный диск «разбился» на эти звезды.

— Вполне возможно. Другое дело, что диск, который мог разбиться на эти звезды в результате звездообразования, гораздо больше по размеру, чем тот диск, что мы изучаем.

— Конечно больше, но ориентация их плоскостей может быть коррелирована.

— Здесь, мне кажется, сложно сделать какое-либо категорическое утверждение. Вся эта наука по-своему очень интересна, и там очень много зависит от того, что происходит с Галактикой и в Галактике на космологических временах. Потому что каждое слияние галактик кардинально может изменить картину в центре. И если в результате такого слияния угловой момент вещества другой галактики, которая сливается с нашей, превышает угловой момент вращения черной дыры, то ось вращения последней может измениться.

— А масса черной дыры оценивается исключительно по размеру обнаруженного кольца?

— Да. Есть фактор — насколько это кольцо должно быть больше горизонта событий. Это число вытекает из фундаментальных уравнений общей теории относительности, из гравитационного линзирования.

— Зависит ли этот размер от вращения черной дыры?

— Да, конечно. В этой зависимости проявляются тонкие эффекты. В частности, форма может зависеть от параметра вращения. Форма фотонного кольца может отличаться от идеального круга — есть мечта измерить это отличие. И еще — измерить внутреннюю структуру самого кольца, состоящую из множественных сверхтонких колец с экспоненциально убывающей яркостью. Но это уже совсем далекие мечты. Для этого нужны интерферометры с базами в десятки раз превышающими размер Земли.

— И какой же параметр вращения получается? Понятно, что точно определить его трудно, но пусть хотя бы приблизительно. Чисто шварцшильдовская (не вращающаяся) запрещена, как понимаю. То есть требуется вращение.

— Да, параметр вращения больше 0,5 от предельного. Те же самые диаграммы (рис. 5), что определяют наклон диска, указывают на это.

— На этих диаграммах есть отрицательные значения параметра вращения, которые запрещены. Это вращение в противоположную сторону от вращения диска?

— Да, когда дыра вращается в противоположную сторону.

— То есть противоположное вращение искорежило бы диск?

— Это определенно повлияло бы на самые внутренние части диска. Когда вещество начинает выпадать на черную дыру, оно обязательно начнет «чувствовать» вращение черной дыры. Насколько я знаю, во всех моделях, которые применялись к объяснению феноменов в окрестности черных дыр, пока нигде (или почти нигде) не получалось варианта с ретроградным вращением.

— Но это и физически понятно — такое тяжело устроить.

— Можно, конечно, на короткое время — если на дыру свалилось какое-то газовое облако с большим угловым моментом, противоположным по знаку угловому моменту самой дыры. Какое-то время аккреционный диск, образованный этим веществом, будет существовать, но потом система релаксирует, и вращение диска согласуется с вращением черной дыры.

— А по массе всё соответствует тому, что получено из измерения траекторий звезд?

— Да, все оценки массы хорошо согласуются друг с другом.

— А точность хуже? Или значения того же порядка?

— Нет-нет, там разница не порядок — проценты.

— То есть точность сравнимая?

— Да, точность сравнимая, всё совершенно замечательно совпадает с результатами предшествующих измерений массы.

— Теперь про перспективы. Когда можно ждать новых существенно улучшенных данных с новыми антеннами? Какой масштаб времени? Это годы или десятилетия?

— Существенных улучшений — наверное, все-таки нескоро. В следующих наблюдениях EHT качество данных было лучше, чем в 2017 году, но не сильно. Реальные улучшения будут, когда удастся добавить примерно столько же станций. Сейчас восемь, если будет 16–20, тогда мы сможем получать гораздо более надежные изображения. Если же мы хотим заниматься еще более фундаментальными задачами, то тут стоящие перед нами цели можно сформулировать достаточно просто. Динамический диапазон полученных изображений М87 и Стрельца где-то около 50:1. Этого достаточно, чтобы оценивать массы и параметры вращения этих черных дыр. Но для того чтобы заниматься более фундаментальной наукой, говорить что-то о форме фотонного кольца или точно утверждать, что в центре именно горизонт событий, а не какая-то экзотическая сущность, — для решения таких задач надо увеличивать динамический диапазон как минимум до двух-трех тысяч. Это очень серьезная работа. К этой цели пытаются подойти с разных сторон: путем увеличения полосы записи, улучшения калибровки данных, улучшения фазовой стабильности данных. На масштабе десятка лет всё это должно произойти, и динамический диапазон изображений должен существенно улучшиться. Пусть не до двух тысяч, но в десять раз — точно.

— Какие сейчас главные станции? Есть ALMA — наверное, самая-самая главная, потому что это большой массив телескопов. А какие следующие по важности?

— ALMA действительно совершила революционный переворот в качестве данных EHT. Только после того как ALMA стала участвовать в проекте, стало возможным надежно восстанавливать изображения. До того можно было лишь делать модельные предположения о том, что в М87 и в Стрельце мы действительно наблюдаем кольцеобразную структуру. После первой публикации об М87 было проведено аналитическое моделирование предыдущих наблюдений этого объекта, сделанных на EHT без участия ALMA, и был сделан вывод о том, что и эти данные указывают на наличие кольцеобразной структуры. Но выходить только с такими результатами и утверждать, что такая структура обнаружена, было бы чересчур самонадеянно. Именно поэтому мы и ждали того момента, когда ALMA присоединится к наблюдениям. Участие ALMA действительно добавило очень много, и я могу сказать, что именно. Когда мы анализировали данные предшествующего периода, то оказывалось, что на большинстве баз EHT фазовый шум был равен 103 градусам. Это как раз теоретическое значение для чистого шума, без сигнала. То есть в фазах, измеренных на этих базах, вообще не было полезной информации, вся информация содержалась только в амплитудах. А этого мало — фаза в интерферометрии наиболее важна. А на базах с участием ALMA этот шум упал сразу до 30 градусов, и это позволило перейти от аналитического моделирования данных к полноценному восстановлению изображений.

После ALMA следующие по значению для EHT телескопы — пожалуй, телескопы Pico Veleta в Испании и LMT в Мексике, хотя у последнего есть свои проблемы, поскольку он еще не до конца «вработан» в структуру EHT. В последних наблюдательных сессиях EHT начал принимать участие еще и французский интерферометр NOEMA неподалеку от Гренобля. В настоящее время NOEMA и Pico Veleta являются вторым и третьим по чувствительности элементами EHT.

— Мы близимся к завершению. Андрей, давайте теперь без моих вопросов — вам хочется еще что-то добавить к сказанному?

— Для меня самого это очень интересная работа, наверное, по одной особой причине. Представления о черных дырах эволюционировали. Идея о том, что могут существовать такие тяжелые и компактные объекты, что даже свет не может их покинуть, появилась более двухсот лет назад, в 1783 году. Английский физик и натурфилософ Джон Мичелл, опираясь на закон всемирного тяготения и конечность скорости света, сделал вывод, что если звезда будет иметь такую же плотность, как и Солнце, а размер в 500 раз больше солнечного, то для такой звезды скорость убегания должна превысить скорость света — значит, она станет невидимой для нас. Это было просто метафизическое рассуждение, но можно только поразиться, насколько человек опередил свое время.

— И главное, угадал с размером!

— Да, угадал с размером! Потом к этой идее возвращались — сначала на таком же метафизическом уровне, позже — на математическом уровне, когда появились уравнения Эйнштейна. А сейчас у нас наконец-то появилась возможность изучать черные дыры с помощью физических экспериментов.

И еще для меня интересно, что сама идея горизонта и разделенности пространства на две части, над и под горизонтом, а также сама идея сингулярности — они, если можно так выразиться, не очень красивые и с точки зрения физики скорее порождают проблемы, чем помогают их решить. По идее должна быть какая-то физика, которая устраняет эту некрасивость. А вот найти эту физику можно, только сделав измерения, которые не будут согласовываться с теоретическими предсказаниями. И это для меня наиболее интересно. У нас есть указания на то, что могут быть экзотические условия, весьма отличные от теоретических моделей с каноническими черными дырами. И для того чтобы эти указания (как и вышеупомянутые указания на наклон диска в Стрельце) стали результатами, нам нужно и дальше работать над улучшением наших инструментов и измерений.

Иллюстрации из статьи [2]

1. trv-science.ru/2022/05/zagadochnye-pyatna-na-kolce-vokrug-chernoj-dyry/

2. iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest

6 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Валерий Морозов
5 месяцев(-а) назад

Термин «горизонт событий» поскольку исходит из гипотезы о том, что бессмысленная часть решения Шварцшильда имеет смысл. Или иначе Эйнштейн признал, что сингулярности в теории не должно быть (1955 год смерти гения).
См. Завещание Эйнштейна

История такова.

  1. В конце 1915 года, после двухлетних попыток Эйнштейн отказывается от члена в уравнении, содержащего энергию гравитационного поля. Точнее он не смог использовать то, что сейчас называется псевдотензор гравитационного поля. (К общей теории относительности 1915).
  2. Сразу после этого. Эйнштейн успешно проверяет новое уравнение на аномальной прецессии перигелия Меркурия (Объяснение движения перигелия Меркурия, 1915).
  3. Эйнштейн исправляет уравнение поля, добавив в него скаляры T и, как вариант, R. (Уравнения гравитационного поля 2 декабря 1915 г. ). Это необходимо для того, чтобы из уравнения следовал закон сохранения вещества. Полный закон сохранения (вещество + поле) уже не следует из уравнения, но записывается с использованием псевдотензора.
  4. Почти одновременно Гильберт, не замороченный физическими проблемами, находит уравнение в другой форме (с тензором Эйнштейна). По моему надо перестать спорить о приоритете и называть уравнение Эйнштейна уравнением Эйнштейна, а тензор Эйнштейна тензором Гильберта.
  5. На этом история не закончилось. Шредингер и Лоренц выяснили, что компоненты псевдотензора не являются плотностью энергии или импульса. И полный закон сохранения оказывается под сомнением. Эйнштейн частично исправляет ошибку заменив обычный закон сохранения интегральным с тем же псевдотензором (О гравитационных волнах 1918 г.). Конечно можно говорить о некой реабилитации закона сохранения… однако осадочек остался — псевдотензор по-прежнему не не содержит плотностей энергии и импульса поля. Польза в этом ораниченном законе сохранения есть конечно но… история на этом не закончилась.
Валерий Морозов
5 месяцев(-а) назад

«И еще для меня интересно, что сама идея горизонта и разделенности пространства на две части, над и под горизонтом, а также сама идея сингулярности — они, если можно так выразиться, не очень красивые и с точки зрения физики скорее порождают проблемы, чем помогают их решить. По идее должна быть какая-то физика, которая устраняет эту некрасивость.»

Здравая мысль. Вообще-то математики говорят «Решение Шварцшильда для r≤r_g не имеет смысла».

Могу помочь см. Уравнение гравитационного поля и структура черных дыр.
Это не новая физика это старая добрая общая теория относительности.

Последняя редакция 5 месяцев(-а) назад от Валерий Морозов
Гончаров А.И.
Гончаров А.И.
5 месяцев(-а) назад

Так как черные дыры, насколько я понимаю, связаны и с вопросом сохранения информации, мне, дремучему дилетанту, очень хотелось бы узнать, насколько тесно связан вопрос о сохранении информации с квантовой механикой и, в особенности, с устройством квантовых компьютеров.

Валерий Морозов
5 месяцев(-а) назад

«Идея о том, что могут существовать такие тяжелые и компактные объекты, что даже свет не может их покинуть, появилась более двухсот лет назад, в 1783 году. Английский физик и натурфилософ Джон Мичелл, опираясь на закон всемирного тяготения и конечность скорости света,…»

С точки зрения общей теории относительности пример довольно наивный. Свет покидая тяжелый объект теряет энергию, это правильно, но его скорость, при этом, не уменьшается, а увеличивается!

С этим связано еще одно заблуждение. В докладах РАН была опубликована статья с предложением выяснить экспериментально что меняется при прохождении света в гравитационном поле его частота или время в пространстве. Это странно, не только потому, что вопрос давно решен,том числе и в многочисленных экспериментах и наблюдениях, но и при элеменарном рассмотрении распространении распространения волн с переменной скоростью — частота при неизменном расстоянии источник — приемник не изменяется. То, что автор не специалист ОТО, не может быть оправданием.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
5 месяцев(-а) назад

«…что даже свет не может их покинуть…» — это, похоже, перебор, — ведь нетрудно представить, например, вокруг черной дыры оболочку-волновод, в которой, — из-за дисперсии, — фазовая скорость света, покидающего дыру, может быть во много раз больше скорости убегания.
Разумеется, частота света не меняется и произведение фазовой Uф и групповой Uг скоростей тоже неизменно и равняется квадрату скорости света в вакууме Uф*Uг=c^2.
К слову, — на эту тему в начале прошлого века красиво рассуждал Дж.Дж. Томсон в его единственной статье в УФН — «За пределами электрона».
https://ufn.ru/ru/articles/1928/5/b/

Валерий Морозов
5 месяцев(-а) назад

Спасибо за ссылку. Придется посмотреть. Я ссылаюсь на Томсона в своей УФНовской статье, статья другая, но я не читал и той на которую сослался. Со слов другого автора взял статью Томсона за отправной момент постановки задачи о массе электрона получилось 128 лет. Личный рекорд. Даже сейчас ссылаясь на Эйнштейна (1907 год) я не превышаю ту ссылку в глубь веков.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (3 оценок, среднее: 4,67 из 5)
Загрузка...