Подбираясь к горизонту событий

Комплекс телескопов VLT (Very Large Telescope), входящий в состав Южной европейской обсерватории в Чили

Комплекс телескопов VLT (Very Large Telescope), входящий в состав Южной европейской обсерватории в Чили

Борис Штерн

Борис Штерн

Увидеть черную дыру! Это одна из самых амбициозных задач современной астрономии. Как с этой задачей справиться? Сам по себе горизонт событий черной дыры никак не проявляется. Но можно, например, увидеть ее тень — она немного больше горизонта (для невращающейся черной дыры — в полтора раза). В данном случае тень — круг, в котором наблюдатель не видит фотонов, излученных дальше черной дыры. Еще можно попытаться увидеть нечто, происходящее на последней стабильной орбите вокруг черной дыры. Ее радиус — в три раза больше радиуса горизонта.

Понятно, что речь идет о тяжелейшей задаче. Радиус горизонта (шварцшильдовский радиус) невращающейся черной дыры с массой Солнца равен 3 км и пропорционален массе. Так, для миллиарда солнечных масс (а такие существуют) радиус будет 3 млрд км — это уже порядка размера Солнечной системы. Для простоты все оценки здесь и далее даны для невращающейся черной дыры. Для вращающейся (а реальные черные дыры вращаются) горизонт меньше, зависит от параметра вращения и не сферичен. Остальные параметры тоже немного отличаются.

Для подавляющего большинства черных дыр задача «сфотографировать» ее ближайшие окрестности безнадежна. Например, угол, под которым виден горизонт первой из открытых черных дыр, Лебедь Х-1, — примерно 10-15 радиана, или 10-10 угловой секунды. Но есть и не столь безнадежные случаи.

Дело в том, что радиус горизонта пропорционален массе, а не кубическому корню из нее, как для обычных тел. Рекорд по угловому размеру делят два объекта огромной массы. Первая -центральная черная дыра в нашей Галактике -4,14 млн солнечных масс. Радиус ее горизонта событий виден под углом 0,5×10-10 радиана, или 10 угловых микросекунд. Примерно под таким же углом можно наблюдать сверхмассивную черную дыру в центре галактики M87, которая в свою очередь центральная в ближайшем крупном скоплении галактик в созвездии Девы. До нее примерно в 2000 раз дальше, но и ее масса примерно в 2000 раз больше — около 10 млрд солнечных масс.

Предел разрешения существующих оптических телескопов в тысячи раз хуже приведенной величины. Радиоинтерферометры по разрешению уже ближе: если расстояние между антеннами порядка размера земного шара, то на волне длиной несколько сантиметров разрешение составит 10-8, или порядка угловой миллисекунды. Не хватает сотни. А если вывести одну из антенн далеко в космос, то разрешение становится достаточным для того, чтобы увидеть тени двух упомянутых выше черных дыр.

Речь об успешно идущем эксперименте «Радиоастрон», который уже дал карты ряда объектов с рекордным разрешением, в частности, карты джетов (струй), испущенных сверхмассивными черными дырами, в том числе и джета упомянутого выше монстра в галактике М87. Разрешения «Радиоастрона» достаточно, чтобы увидеть искомую тень. Но тут возникает другая проблема: окрестности черной дыры в М87 непрозрачны для радиоволн, на которых работает «Радиоастрон». Там слишком много электронов высокой энергии в магнитном поле, которые поглощают радиоволны, -это так называемый эффект синхротронного самопоглощения. Это было ясно заранее, наблюдения ядра М87 подтвердили данный факт. «Радиоастрон» видит только внешнюю «фотосферу» ядра М87.

Чтобы проникнуть глубже, нужны более короткие волны — эффект синхротронного самопоглощения быстро падает с уменьшением длины волны. В этом плане основные надежды связаны с проектом «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope — EHT) — глобальным интерферометром со множеством антенн, работающих в субмиллиметровом диапазоне.

Субмиллиметровый диапазон более сложен для интерферометрии, чем сантиметровый, — нужны сверхточные сверхстабильные часы и гигантские объемы обрабатываемой информации (800 процессоров, сеть 40 Гбит/с) — такая возможность появилась только в XXI веке. Угловое разрешение глобального интерферометра в субмиллиметровых волнах — около десяти микросекунд, достаточно, чтобы подобраться к горизонту событий двух рекордных черных дыр. Первые результаты обещают показать миру в 2019 году.

Существует проект космического телескопа в этой области: «Миллиметрон» — потенциальный преемник «Радиоастрона». Если удастся использовать его в режиме интерферометра (что чрезвычайно сложно), то угловое разрешение будет фантастическим.

И вот на днях появилась неожиданная и оптимистичная новость: обнаружено движение по орбите размером лишь в несколько раз больше радиуса горизонта событий черной дыры в центре нашей Галактики. Лично для меня самым неожиданным стало то, что открытие сделано в оптике, точнее — почти в оптике -в ближнем инфракрасном свете (2,2 микрона). Если интерферометрия на длине волны от долей миллиметра и больше по сути цифровая (исследователи записывают данные с каждой антенны и ищут корреляции в режиме оф-лайн), то в оптике и инфракрасном диапазоне возможна только «классическая» аналоговая интерферомерия — смешивается свет от разных телескопов.

Результат был получен на комплексе телескопов VLT (Very Large Telescope), входящем в состав Южной европейской обсерватории в Чили. Четыре телескопа с зеркалами диаметром 8,2 м с помощью системы GRAVITY связаны в единый интерферометр с базой порядка сотни метров. Достигнутое разрешение — 3 миллисекунды, оно явно недостаточно для исследования ближайших окрестностей черной дыры. Но еще существует астрометрическая точность — она всегда намного лучше разрешения. Если там есть одиночный яркий объект, то его положение можно определить с точностью 20−70 угловых микросекунд. Такие объекты есть, хотя и нестабильные. Это яркие вспышки во внутренней части аккреционного диска вокруг черной дыры.

В настоящее время черная дыра в центре нашей Галактики сидит на «голодном пайке», но все-таки какая-то аккреция происходит и излучается светимость, эквивалентная нескольким тысячам светимостей Солнца. Как всегда, аккреция идет через диск — он довольно разреженный, оптически тонкий, т. е. прозрачный для света, и, как обычно, сильно замагниченный, поскольку плазма, стягивающаяся к черной дыре, тянет с собой магнитное поле. Раз есть замагниченная плазма, да еще с большим градиентом скоростей, неизбежны вспышки, подобные солнечным. Их природа — пересоединение петель магнитного поля. Излучают при этом электроны, движущиеся в магнитном поле (синхротронное излучение). Причем чем ближе к черной дыре, тем ярче должны быть вспышки.

Аккреционный диск тянется внутрь до последней стационарной орбиты, именно вблизи последней должны возникать наиболее яркие вспышки. Оттуда уже рукой подать до горизонта событий.

Команда эксперимента GRAVITY исследовала две яркие вспышки длительностью порядка часа, произошедшие 22 и 28 июля 2018 года, и более слабую вспышку 27 мая того же года1. Обнаружено смещение источника на 120 угловых микросекунд за время порядка получаса.

Это соответствует перемещению со скоростью 30% скорости света — подобное орбитальное движение наблюдается впервые.

Рис. 1. Эволюция положения вспышки. Слева — отдельно по двум осям в зависимости от времени, справа — последовательность положений на плоскости. Черные точки на рис. 1а — яркость вспышки. Плавные кривые на рис. 1с и синий круг на рис 1d — результат подгонки орбитальным движением для невращающейся черной дыры. Оранжевый крест — положение черной дыры, определенное по независимым данным

Рис. 1. Эволюция положения вспышки. Слева — отдельно по двум осям в зависимости от времени, справа — последовательность положений на плоскости. Черные точки на рис. 1а — яркость вспышки. Плавные кривые на рис. 1с и синий круг на рис 1d — результат подгонки орбитальным движением для невращающейся черной дыры. Оранжевый крест — положение черной дыры, определенное по независимым данным

Траектория вспышки 22 июля показана на нижней правой панели рис. 1 — за время наблюдения источник описал по часовой стрелке 50−70% окружности. Конечно, ошибки в измерении положения достаточно велики, но круг или эллипс просматриваются без привлечения чрезмерного воображения. Центр круга в пределах ошибок согласуется с положением черной дыры, определенным из траекторий близких звезд, которые изучены тем же инструментом GRAVITY (показано оранжевым крестом на рис. 1).

Результаты подгонки траектории к данным по вспышке 22 июля таковы: радиус орбиты — 7 гравитационных радиусов, или 3,5 шварцшильдовского радиуса для массы 4 млн солнечных (авторы пользуются определением, где гравитационный радиус вдвое меньше шварцшильдовского). Ошибка порядка гравитационного радиуса. Итак, видим движущийся объект совсем близко к предельной стабильной орбите (шесть гравитационных радиусов) и близко к горизонту событий. Параметр вращения черной дыры вытащить из результатов не удается.

Две другие вспышки тоже перемещались, хотя их траектории менее похожи на круговые из-за ошибок измерения. Важно то, что картина подкрепляется вращением плоскости поляризации фотонов, что и должно быть, если мы имеем дело с синхротронным излучением электронов в магнитном поле.

Насколько надежен результат? Оценить статистическую значимость эффекта (вероятность того, что эффект имитирован случайной флуктуацией) довольно трудно. В статье соответствующей оценки не дается, и есть еще к чему придраться. На глаз, если судить по рис. 1a, формальная значимость не слишком велика, но «правильная» последовательность положений во времени и соответствующее вращение плоскости поляризации дают дополнительные аргументы.

Конечно, абсолютной стопроцентной уверенности результаты не дают, но навскидку результат выглядит достаточно значимым, чтобы опубликовать его. В конце концов, измерения воспроизводимы — вспышки время от времени будут повторяться, инструмент работает.

Итак, похоже, добрались до предельной стационарной орбиты. Следующий шаг — тень черной дыры.

Борис Штерн,
астрофизик, вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН


1 Результаты опубликованы в статье в Astronomy & Astrophysics от 31 октября 2018 года, доступной по ссылке eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1835/eso1835a.pdf

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (9 оценок, среднее: 3,89 из 5)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

22 комментария

  • Абрам Соломонович:

    Очень интересная новость, спасибо. извините что придираюсь, но как можетбыть чд в одну солнечную массу? успела испариться? и вычислительные мощности указывают в петафлопах, так можно иметь ввиду что угодно.

    • Борис Штерн:

      В одну солнечную массу — не успеет испариться (сейчас испаряются черные дыры 1015 грамм, если таковые существуют). Другое дело, что такую дыру трудно создать — те, что остаются от звезд — больше массы Солнца

  • Хотелось бы напомнить.
    «Черная дыра» всего лишь гипотеза, популярная, но гипотеза.

    Эйнштейн говорит о необходимости избавить теорию от сингулярностей:
    «Б. Теория поля еще не вполне определяется системой уравнений поля. Надо ли признавать наличие сингулярностей? Следует ли постулировать граничные условия? Что касается первого вопроса, то мое мнение заключается в следующем: сингулярности должны быть исключены. Мне не кажется разумным вводить в теорию континуума точки (или линии и т. п.), для которых уравнения поля не выполняются. Кроме того, введение сингулярностей эквивалентно постулированию граничных условий (произвольных с точки зрения уравнений поля) на „поверхностях“, окружающих сингулярности. Без такого постулата теория будет слишком неопределенной. Ответ на второй вопрос, по-моему, заключается в том, что постулирование граничных условий является обязательным…»

    • archimed:

      А как у вас черные дыры связаны с сингулярностью? Из статьи этого не следует. Там есть большие и малые величины, но не бесконечные …

      • Черная дыра это попытка придать смысл математически бессмысленному решению. В решении Шварцшильда метрика на сферической поверхности с радиусом Шварцшильда не только имеет бесконечные член, но и нулевой, что не менее бессмысленно.

        Причина этих неприятностей — уравнение Эйнштейна. Можно построить общую теорию относительности на полном наборе постулатов (Эйнштейн отказался от одного из них) без уравнение Эйнштейна. Точнее уравнение Эйнштейна будет выполнять другую функцию.

        Если интересно
        https://youtu.be/84V774DewlEhttps://youtu.be/84V774DewlE

  • Владимир Аксайский:

    Статья понравилась — изумительно краткая, ясная, прозрачная и волнующая. Любопытно — почему в поплитературе черная дыра не называется гравитационной линзой? В русскоязычной Википедии гравитационная линза — всё что угодно — …массивное тело (планета, звезда, галактика, скопление галактик, скопление тёмной материи), но не черная дыра. :)

    • Борис Штерн:

      Да нет, все в порядке — является. Например, первичные черные дыры в определенном диапазоне масс ищут по микролинзированию.

  • Абрам Соломонович:

    Я имел ввиду гравитационный коллапс испытывает тело в несколько солнечных масс не помню точную цифру, но это из Хокинга 2011 г. изд. 2Аксайский: французы называют «скрытая звезда» вроде их смущает термин чд особенно в свете утверждения что она не имеет волос :) вопрос про линзу глупый линзирование это эффект, а не объект. почему чд гипотеза разве данные с лиго не поставили точку, вот существование голой сингулярности гипотеза и не вращаюшаяся чд тоже вроде. ну, а чем ещё может быть объект в центре галлактики тем более примерно оценен радиус и масса? в arxiv всюду эксплуатируется данный термин даже вкладка отдельная есть.

  • Абрам соломонович:

    2Владимир Морозов: может нужно просто расширить математическую модель в которой бесконечности будут проецироваться на окружность или сферу, гиперсферу, может одна из существуюших гипотез дополняющих квантовую теорию поля нуждается лишь в небольшой модификации? Аппелировать к Энштейну не стоит он верил в детерминизм, и много в чём сомневался. Мне понравилась идея с группами Ли хотя есть теорема доказаная что вселнная не может быть изоморфна группе Ли, уравнения Максвела и хромодинамика вполне ложатся на геометрическую теорию, опять же теорема Неттер показывает глубокую связь с теорией групп, хотелось-бы чтобы были найдены новые частицы ложащиеся на следующую группу Ли там много частиц и несколько бозонов Хигса. Вроде бак не может разрешить один бозон или два смушает что указан диапазон энергии, может поспешили. Ну и из т.г. можно только геометрические параметры получить энергию частиц даст только эксперимент. :(да там еще зоопарк гравитонов с подобием хромодинамики для гравитации доставляется. Будем ждать квантовую теорию гравитации. Я оптимист.

  • Абрам Соломонович.:

    интернет через телефон только доступен. звук очень тихий. есть текстовый вариант? жду библиотеку научной и нп литературы с хомелаба завтра привезут хочу Пенроуза последние книги почитать. У меня есть вопрос про механизм испарения чд может кто-нибудЬ прояснить. почему при рождении виртуальной пары одна частица является тн положительной энергии, а вторая отрицательной речь ведь не о классической паре кварк антикварк позитрон электрон тут что-то другое типа суперсимметрии? я этот момент не понимаю ясно что спины их противополжны и в сумме равны нулю одна ушла за горизонт другая во «вне» и унесла с собой информацию тк они связаны как подобные события могут привести к выносу информации-энергии из-за горизонта если сразу произойдет редукция квантового состояния? когда я учился на фт нам на лето дали задание самостоятельно изучить теорию тензоров там типа все просто, а с следующего года должен был идти курс Умф трифонова. я забил на тензоры, а умф меня напугал объёмом. на хабре сейчас смотрю курс лекций по тензорам с примерам. и читаю несколко книг паралельно арнольдовская книга спины, кватерноны и октерноны и совсем популярная квантовая механика фридмана, постепенно складывается картинка хотя многое в популярном изложении хокинга-пенроуза уже читал. после хоккинга в перемешку с арнольдовским объяснением почему уравнения выше пятой степени не имеют аналитических решений, возник вопрос не имеет ли топология связи с эволюцией вселенной в момент большого взрыва сфера положительная кривизна — сам взрыв, тор нулевая первая же сингулярность добавляет «ручку» к сфере, а все последуюшие добавляют кривизны вызывая инфляционное расширение. наверно совсем глупая идея :) в моём возрасте похоже не поздно учиться я еще органической химией увлекся когдато меня сватали на психофрмакалогию, но что-то я растерялся.

  • Сейчас модно называть альтернативные теории обобщением ОТО. На самом деле они, как правило, слабо связаны с Эйнштейновской теорией. В рецензиях на мои статьи постоянно звучит мотивчик: «Идеи Эйнштейна устарели. Парень, ты занимаешься ерундой. ОТО — ненужный хлам».

    А между тем, другой теории гравитации нет.
    То, чем я занимаюсь, не альтернатива теории, это сама теория.

    Что получилось в результате, при решении задачи Шварцшильда?
    Решение, практически совпадающее с решением Шварцшильда, вплоть до нескольких радиусов Шварцшильда. В районе радиуса Шварцшильда гладкое, монотонно возрастающее поле тяготения, но резко возрастающее начиная примерно с половины радиуса Шварцшильда. быстро возрастает, быстрее, чем любая степенная функция.

    С точки зрения оптики тяжелый и плотный объект меньше радиуса Шварцшильда, воспринимается как темный объект, сильно поглощающий электромагнитное излучение радиусом, составляющим примерно половину радиуса «черной дыры». Скорее всего это массивная нейтронная звезда, возможно излучающая нерегулярно в длинноволновом диапазоне, начиная с ИК волн, из-за сильного гравитационного красного смещения.

  • gbrs:

    На рисунке 1d cиний «кружок» представляет собой часть аккреционного диска? Разве может быть такой угол наблюдения, чтобы оранжевый крестик был вне этой траектории?
    Где-то можно почитать «популярно» про разницу между разрешающей способностью и астрометрической точностью? У телескопа Gaia тоже, наверное, точность намного превосходит разрешающую способность?

  • Борис Штерн:

    Популярно: разрешение, это, грубо говоря, размер изображения точечного источника в пикселях. А астрометрическая точность — точность определения центра изображения по соотношению сигналов в разных пикселях. Оранжевый крестик выехал за кружок примерно на 1 сигма — это в пределах ошибок.

  • Николай Портнов:

    Ещё с античных времен известна антиномия: мир является конечным и бесконечным одновременно.
    Естественно-научное разрешение этой антиномии дал философ Н.О.Лосский: физическая вселенная является бесконечномерной.
    Сегодняшние проблемы теоретической физики свидетельствуют о том, что четырехмерная модель пространственно-временного континуума исчерпала себя. Пришло время задуматься о переходе к бесконечномерным моделям.

  • Паша:

    Борис, все вроде замечательно, но небольшой комментарий может оказаться уместным — понятие последней
    устойчивой орбиты важно для очень тонких дисков, в которых движение газа целиком определяется гравитацией
    и очень близко к круговому, геометрически толстый диск, который ожидается в центре нашей Галактики, ее слабо
    чувствует.

    Паша

  • Борис Штерн:

    Да, хуже того, размер последней орбиты дается для шварцшильдовской дыры, хотя она керровская. Но в пределах полутора наверно правильно.

    • Паша:

      Не совсем, формально для предельно Керровской ч. д. радиус последней стабильной орбиты равен радиусу горизонта в экваториальной плоскости, что есть М, когда, разумеется газ вращается в ту же сторону, что и ч. д., для Шварцшильда
      — 6 М, правда все это в определенных координатах. Вообще, есть некоторая загадка, мы как-то симулировали относительно
      тонкий аккреционный поток, с отношением толщины к радиусу 0.1, прохождение последней стабильной орбиты им вообще
      не чувствовалось, судя по разным характеристикам. Расчет был весьма навороченный, почему есть рассогласование с аналитикой, мне не понятно…

      Ладно, все это поди мало кому интересно :)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com