Загадочные пятна на кольце вокруг черной дыры

Рис. 1. Изображение окрестностей центральной черной дыры галактики М87, опубликованное в 2019 году
Рис. 1. Изображение окрестностей центральной черной дыры галактики М87, опубликованное в 2019 году

В апреле 2017 года коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) — Телескоп горизонта событий — провела серию наблюдений центральных объектов галактики М87 и нашей Галактики (радиоисточник Sgr А*). Оба этих объекта — сверхмассивные черные дыры, которые видны благодаря излучению стягивающегося в них вещества.

Телескоп горизонта событий — это совокупность разбросанных по Земле микроволновых телескопов миллиметрового диапазона. Центральная станция этого синтетического телескопа — массив телескопов ALMA, расположенный в пустыне Атакама в Чили. Все телескопы работают в режиме цифрового интерферометра: сигнал с каждой антенны записывается, а затем с помощью корреляционного анализа восстанавливается изображение объекта.

Расстояние до двух исследованных объектов различается в две тысячи раз: расстояние до М87 — 16,4 мегапарсека, до центра Галактики — около 8 килопарсек. Но и массы черных дыр отличаются в полторы тысячи раз, в М87 — 6 млрд солнечных масс, в нашей Галактике — около 4 млн Mʘ. Размер черной дыры пропорционален массе, поэтому угловой размер обеих черных дыр и светящихся аккреционных дисков вокруг них примерно одинаковый, у нашей — чуть больше. Этот размер порядка 4 мкс дуги — под таким углом виден человеческий волос с расстояния 500 км. Угловое разрешение, определяемое отношением длины волны (1,3 млн к диаметру земного шара — именно таков примерный размер телескопа), — около 20 мкс, тем не менее этого достаточно, чтобы рассмотреть происходящее вблизи черной дыры.

Результаты наблюдений М87 были опубликованы в апреле 2019 года1. Результаты по нашей черной дыре были опубликованы 12 мая 2022 года — их обработка и написание статей заняли пять лет. Такая разница не случайна.

Дело в том, что характерное время переменности светящегося аккреционного диска пропорционально размеру системы, т. е. массе черной дыры. И если для М87 оно составляет дни, то для нашей Галактики — минуты. Если для М87 можно успеть накопить много данных, пока объект практически не изменился, то для Sgr A* это сделать очень тяжело. Но вот как-то сделали и даже опубликовали некое изображение, которое моментально стало знаменитым.

Чтобы попытаться его интерпретировать, полезно сказать пару слов, что можно наблюдать от аккрецирующей черной дыры. Схема искривленных световых лучей вблизи черной дыры показана на рис. 2 (для простоты приведен случай невращающейся черной дыры). На расстоянии трех гравитационных радиусов от центра черной дыры находится так называемая фотонная сфера. Таким образом фотон, пролетающий мимо черной дыры по касательной ближе, чем Rph, попадет в черную дыру, пролетающий дальше — улетит по кривой на бесконечность, а летящий точно на расстоянии Rph — будет циркулировать вокруг дыры по круговой орбите. Фотоны не живут на фотонной сфере — траектории неустойчивы и отклоняются либо внутрь, либо наружу, но так или иначе фотонная сфера как бы «притягивает» фотоны, возникает так называемая каустика, проявляющаяся в виде яркого кольца, внутри которого яркость резко падает. Фотоны в эту фотонную сферу поставляет аккреционный диск — его яркость на порядки выше, чем яркость окружающих источников.

Рис. 2. Схема тени черной дыры. Кривыми условно показаны геодезические линии, по которым движется свет. Серым цветом — линии, которые упираются в горизонт черной дыры. Хотя, если между фотонной сферой и горизонтом светится падающее вещество, часть тени может быть слабо освещена
Рис. 2. Схема тени черной дыры. Кривыми условно показаны геодезические линии, по которым движется свет. Серым цветом — линии, которые упираются в горизонт черной дыры. Хотя, если между фотонной сферой и горизонтом светится падающее вещество, часть тени может быть слабо освещена

При этом тяготение черной дыры, искривляя траектории фотонов, увеличивает видимый радиус фотонного кольца до 5,2 Rg (для шварцшильдовской черной дыры) — происходит самолинзирование. Для исследованных черных дыр угловой радиус оказывается чуть больше 20 мкс, что уже можно разрешить с помощью ЕНТ. Итак, с помощью ЕНТ мы должны видеть размытое (из-за ограниченного разрешения) яркое кольцо с темным пятном посередине, которое не очень удачно называется тенью черной дыры. Кольцо может быть неравномерным по яркости — типа полумесяца, если оно наклонено к лучу зрения (та часть аккреционного диска, которая движется к нам из-за орбитального вращения, — ярче, это называется «доплеровское усиление»). Кроме того, если удалось построить «мгновенное» изображение, т. е. накопить данные за время, меньшее характерного времени переменности аккреционного диска, то можно обнаружить какую-то пятнистость вдоль кольца. В аккреционном диске могут вовсю действовать магнитогидродинамические неустойчивости, приводящие к неоднородностям яркости.

Именно это мы и видим на изображении центра М87. Характерное время переменности в аккреционном диске М87 — дни; данные, на основе которых построено изображение, накоплены за день, т. е. картинку ядра М87 можно считать мгновенной. Там явно виден «полумесяц» из-за доплеровского усиления плюс некоторая нерегулярность, слегка меняющаяся за пять дней.

Рис. 3. 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. 3. 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

С нашей черной дырой всё намного хуже. Там время переменности (динамическое время) — минуты. Проблемы с построением изображения ее ближайших окрестностей подчеркивались с самого начала. И вот через пять лет публикуется2 картинка, приведшая народ в изумление: кольцо, подобное тому, что наблюдалось у М87, но с тремя яркими пятнами — именно эти пятна вызвали максимальное недоумение любителей астрономии в социальных сетях. Автор данной заметки разделяет это недоумение. Почему эти пятна не размазались из-за быстрого вращения диска?

Картинка, представленная на рис. 3, позиционируется как «статическое» изображение, построенное на основе данных за 7 апреля 2017 года3. При этом авторы статьи признают, что переменность быстрая и сильная. Смысл в статическом изображении при этом несколько теряется, но, может быть, все-таки существуют какие-то стабильные детали типа полумесяца — доплеровского усиления в части кольца, движущегося по направлению к наблюдателю?

Здесь приходится решать примерно такую обратную задачу: какое статическое распределение яркости лучше всего будет соответствовать данным, полученным от меняющегося объекта, к тому же осложненным дифракцией на межзвездной среде (в данном случае она гораздо сильней, чем для М87, поскольку луч зрения проходит через диск и центр Галактики). Задача наверняка некорректна (не только в математическом, но и в житейском смысле), но, может быть, она может ухватить какую-то правду?

Рис. 4. Результаты «слепого теста», когда одни и те же данные по Sgr A* были обработаны пятью независимыми группами. Пометка «movie» означает, что картинка — результат усреднения фильма. Каждая группа представила три варианта реконструкции. Из Приложения С к статье4
Рис. 4. Результаты «слепого теста», когда одни и те же данные по Sgr A* были обработаны пятью независимыми группами. Пометка «movie» означает, что картинка — результат усреднения фильма. Каждая группа представила три варианта реконструкции. Из Приложения С к статье4

В 2019 году был проведен «слепой тест»: пять команд независимо друг от друга пытались реконструировать изображение Sgr A* по тем же данным. Результат4 показан на рис. 4. Как видим, результаты радикально отличаются друг от друга, хотя кольцеобразная структура просматривается в большинстве картинок. То есть кольцеобразность, скорее всего, — правда (и это то, что следовало ожидать), конкретное распределение яркости вдоль кольца — вилами по воде писано. Авторы статьи утверждают, что со времени проведения слепого теста процедура была усовершенствована, в частности, за счет «смягчения» (mitigation) эффектов переменности и дифракции. Что это значит, быстро понять из статьи довольно трудно.

В статье нет оценок статистической значимости наличия трех пятен. Насколько модель с тремя пятнами лучше модели однородного кольца или кольца с доплеровским «полумесяцем»? Понятно, что эту значимость оценить очень сложно, но тогда не стоит преподносить эту картинку как нечто реальное. Понятно, что широким массам, требующим зрелищ, нужна именно картинка, и именно она вызовет максимальный отклик. Видимо, в таких случаях полезно добавлять дисклеймер по поводу того, что из-за неоднозначности обработки реальная картинка может отличаться. Почему я цепляюсь именно к этим трем пятнам? Их очень сложно интерпретировать физически для быстропеременной системы с орбитальным временем в десятки раз короче периода наблюдений. Это некое если не чрезвычайное, то просто сильное утверждение, требующее столь же сильных свидетельств, которых не видно.

Несмотря на смутный смысл самого изображения, данные, представленные в этой серии статей, очень интересны. Прежде всего достаточно надежно продемонстрирована кольцеобразная структура с тенью черной дыры. Из данных видно, что мы наблюдаем аккреционный диск Sgr A* скорее плашмя, чем с ребра (наиболее вероятный угол наклона оси к лучу зрения — порядка 30°). Получена новая независимая оценка массы черной дыры:
4+1,1–0,6 млн Мʘ. Получен целый ряд ограничений на физику аккреции вещества в Sgr A* — температуру электронов, параметр вращения черной дыры. Будем надеяться на дальнейшую дискуссию и новые интерпретации результатов.

Борис Штерн


1 trv-science.ru/uvidet-chernuyu-dyru

2 iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6429#apjlac6429s7

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

4 iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6429

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

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
12 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Пал Палыч
Пал Палыч
1 месяц назад

Тут надо не забывать, что эти «изображения» на самом деле фотошоп, созданный искусственным интеллектом после машинной обработки нечётких фотографий.
так что не стоит серьёзно относиться к «неоднородностям». неизвестно, это неоднородности излучающей материи или это артефакты.
кроме того, неизвестно под каким углом к диску аккреции мы смотрим.

Валерий Морозов
1 месяц назад

Нелепая фраза «горизонт событий». Уточненное уравнение Эйнштейна никаких горизонтов не имеет. Решение целиком лежит в родном римановом пространстве. Свет и энергичные частицы могут покинуть зону экстремального потенциала, близкого к пределу -с^2. Большое гравитационное смещает пик излучения в инфракрасную сторону вплоть до радиочастот.
Структура нейронных звезд ничем не отличается от того, что мы называем «черные дыры»
Уравнение Эйнштейна с тензором энергии-импульса гравитационного поля

gooЕ.png
res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

Правильно, что вы получили решение без сингулярности. Что говорят специалисты?

Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

Специалисты не занимаются общей теорией относительности, как правило. Считается, что это не перспективно. Один из них горячо поддерживает меня.
Я знаю только двух специалистов, которые обратили внимание не то, что в уравнении Эйнштейна не хватает энергии гравитационного поля как источника поля. Это Ландау и Лифшиц (§ 95 и § 96).
Такой член в уравнении гравитационного поля Эйнштейна был с самого начала, но он отказался от него в пользу ковариантности уравнения в конце 1915.
Это практически неизвестно специалистам, так как нужно тщательно изучить историю создания Уравнения или тщательнее перечитывать ЛЛ.

Я просмотрел Архив за два года. Специалистов не нашел. Более того, такое впечатление что народ слабо интересует не только ОТО, но и физика.

Валерий Морозов
1 месяц назад

Похоже у астрофизиков беда. Не то, что бы они много знают, но думают, что знают почти все. Это им мешает увидеть, что изображения не сильно напоминают аккреционный диск. Что если аккреции вообще нет, а мы видим бурные процессы атмосферы «черной звезды». Гравитационное поле выглядит немного совсем не так как можно заключить из решения Шварцшильда.

Конечно решение Шварцшильда точное. Но уравнение Эйнштейна не работает в сильных полях. Эйнштейн а 1915 попробовал исключить энергию гравитационного поля из правой части уравнения гравитационного поля и получил хорошее совпадение с результатами наблюдения смещения перигелия Меркурия. Этого приближения хватило на последние сто лет. Но теперь пора уточнить уравнение Эйнштейна, сделать его пригодным для больших гравитационных полей.
Уравнение гравитационного поля и структура черных дыр

res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

Если вас не печатают в журналах, которые читают специалисты, то нужно выступать на семинарах, форумах, совещаниях и т.п.

Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

Печатали…но я занимался в основном прикладными задачами. Трудности с публикациями нестандартных решений не малые. даже опубликованная в УФН статья сначала была квалифицирована как лженаучная.

Вряд ли я смогу выступить на семинаре. Здоровье…
Два варианта статьи лежат в двух журналах.

Парнишка, который постоянно рецензирует мои статьи в письмах ЖЭТФ сам автор «теории» с нековариантным уравнением поля Foundations of a Theory of Gravity with a Constraint and Its Canonical Quantization. Такой не стерпит никогда уравнения на шести страничках. Я видел только отрывки его рецензий. Пишет чушь не читая статей и не обращая внимания на мои ответы. В редколлегии хорошие специалисты, но не по ОТО. В общем все исправно делают свое дело. Почему я трачу время на «письма»? Сначала экономил время. Теперь забавы ради. Вчера отправил туда Пространство с постоянной кривизной и постоянной скоростью света. В тексте выражена благодарность рецензенту и замглавреда за замечания. Они напомнили о своем приятеле де Ситтере. Я написал новую статью, отталкиваясь от де Ситтера. Рецензент «засветился» написав мне, а редколлеге написал я. Статья вроде незамысловатая, но с хорошим результатом. Интересно чем это кончится. Возможно скажут, что пространств у них навалом и статья не интересна.

PS. Парнишка оказался почтенным дядей моего возраста. Думаю я польстил ему, назвав парнишкой.

Последняя редакция 1 месяц назад от Валерий Морозов
res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

Журналы любят, когда теоретическая статья содержит экспериментальные проверки. Т.е., если кто-то предлагает новую теоретическую модель, то должен описать эксперимент, который покажет принципиальные отличия новой модели от принятых.
А так «игра в бисер» ))

Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

Я в курсе. Проблем нет,

  1. Потенциал тяжелых объектов наблюдается при столкновениях. Нужно только сравнивать модели. Чем сейчас все и занимаются. Сложность только в том, что гравитационное поле напоминает напоминает поле решения Шварцшильда, но размер объекта на самом деле больше в три раза чем шварцшильдовское решение.
  2. «Черные дыры» видны в ИК и радиодиапазоне.
  3. Новое уравнение превращается в уравнение Эйнштейна при добавлении условия для определителя фундаментального тензора g=-1, обычно, для не слишком больших полей g≈-1, поэтому все, что подтверждается для уравнения Эйнштейна, подтверждает новое уравнение.
  4. Я бы не называл это моделью. Модели рождаются посредством уродования метрики или действия. Тут просто используется разумный принцип, который Эйнштейн два года пытался сохранить, но вынужден был отказаться от него. Звучит это так: В новом уравнении тензор энергии-импульса гравитационного поля и аналогичный тензор вещества  являются равноправными источниками гравитационного поля. При этом Эйнштейн сделал важное замечание: «Исключительное положение энергии гравитационного поля по сравнению со всеми другими видами энергии привело бы к недопустимым последствиям» (1913).
Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

И еще, важно, из нового уравнения следует полноценный закон сохранения энергии-импульса в общей теории относительности.

Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

Я в курсе.

Последняя редакция 1 месяц назад от Валерий Морозов
Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
1 месяц назад

Черновая заготовка ритмического текста о загадках черных дыр, образования и любви.

Над нами светлая ночная радуга —
Сияет звездами наш Млечный Путь
А в центре Млечного загадка темная
Дыра массивная —  ну, просто жуть.
Стремитесь, девушки, к образованию
Ведь без него любовь — сплошная муть.

Образование должно быть образным
С болонским нам — не по пути…
Стремитесь, девушки, к разнообразию
Ведь без него любви вам не найти.
   
 Ах, дыры черные, подружки милые
Учиться долго мне — ну нету сил…
Раскройте тайну вы сил тяготения
Чтоб на руках меня мой друг носил.

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: