Наше место в этом мире
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Наше место в этом мире
Круговорот газа и пыли во вселенной

Как сфотографировать черную дыру?

    ЧТО НУЖНО ДЛЯ БЛИЗКОГО знакомства со сверхмассивной черной дырой? Всего лишь массив радиотелескопов размером с Землю... Дело в том, что даже крупнейшие и ближайшие к нам темные «монстры» почти неуловимы. Чтобы обнаружить этих темных жителей нашей Вселенной, наука должна показать всё, на что способна. Их экстремальная гравитация поможет проверке общей теории относительности Эйнштейна — эта гравитация так сильна, что даже свет не может вырваться оттуда. «Как только объект проваливается внутрь, он пропадает навеки, — отмечает Шеп Доелмен (Shep Doeleman) из Хейстекской обсерватории Массачусетского технологического института (MIT, США). — Это дверь на выход из нашей Вселенной. Пройдя через нее, вы никогда не вернетесь назад». Конец пути — горизонт событий, на котором падающая материя разгоняется почти до скорости света и затягивается в гравитационную воронку черной дыры. Доелмен работает над созданием телескопа, который уже через три года сможет обнаружить присутствие горизонта событий и в сравнении с которым знаменитая 100-метровая «тарелка» обсерватории Джодрелл-Бэнк покажется крошечной.

Компьютерная модель черной дыры в центре галактики М87, основанная на данных первых трех антенн ТГС.
ЧЕРНАЯ ДЫРА

    Черные дыры были открыты в 1970-х годах при поиске рентгеновского излучения мощных космических источников. Ключом к обнаружению черных дыр стало то, что они крайне неаккуратные «едоки». «Далеко не всё сразу попадает в черную дыру. Возникает своего рода космический затор из газа и пыли, которые образуют плоский “блин", называемый аккреционным диском», — рассказывает Доелмен. Аккреционный диск виден как в рентгеновском, так и радиодиапазоне. Он да еще два тонких, как спицы, джета — выбросы частиц, движущихся с релятивистскими скоростями от полюсов монстра, — выдают местоположение черной дыры.
    Сама идея черной дыры не нова. Переместимся в деревеньку Торнхилл в графстве Йоркшир (Великобритания) 1783 года. Тогда преподобный Джон Мичелл, местный викарий, а в прошлом профессор геологии, представил Королевскому обществу статью, содержавшую очень странную идею: быть может, массивная звезда обладает столь сильным тяготением, что свет не может вырваться? Такую звезду в результате невозможно будет увидеть на ночном небе — она будет темной.
    Первыми были обнаружены черные дыры, которые появились в результате гибели массивных звезд во вспышках сверхновых. Они примерно на порядок массивнее Солнца и представляют собой сколлапсировавшие остатки взорвавшихся внутрь себя мертвых звезд. Но вскоре астрономы поняли, что в космосе должна водиться и куда более крупная «рыба».
    Большие галактики фактически выстроены вокруг так называемых сверх-массивных черных дыр. Это гигантские монстры — самая массивная из известных находится в галактике OJ 287 и весит как 18 млрд солнц. Гравитация этих черных дыр питает мощные аккреционные диски и приводит к выбросу струй газа (джетов) почти со скоростью света. Изучая скорости движения звезд в центре нашей Галактики, астрономы пришли к выводу, что даже в спокойном Млечном Пути скрывается сверхмассивная черная дыра в 4,3 млн солнц, обозначаемая Sgr А* (Стрелец А* — по названию созвездия).

Они невероятно маленькие и плотные и гораздо интереснее, чем вы могли думать. Черные дыры можно рассматривать двояко: либо как массивные сколлапсировавшие объекты, гравитация которых столь сильна, что даже свет не может из них вырваться, либо, в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, как бреши в ткани пространства, которую можно представлять себе наподобие гибкого резинового листа. Они искривляют пространство-время, закручивая вокруг себя свет и заставляя время останавливаться. Физически «фирменный» знак черной дыры — аккреционный диск: вихрь чрезвычайно горячей материи, которая по спирали затягивается внутрь и почти со скоростью света исчезает на горизонте событий. В качестве последнего вздоха обреченная материя выбрасывает энергичные ионизированные струи газа. Затем она направляется к центральной «сингулярности» — объекту с теоретически бесконечной плотностью в сердце черной дыры. Что происходит потом, пока неясно, но некоторые астрофизики считают, что материя в результате может оказаться в другом мире.
АНАТОМИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР

    Чтобы в деталях разглядеть этого опасного космического обитателя, понадобится Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий, ТГС). Этот массив радиотелескопов протянется от Гавайев, Калифорнии, Аризоны, Мексики и Чили до Франции, Испании и Антарктиды.
    Самая большая трудность для наблюдений связана с размерами черных дыр, точнее, с их ничтожной величиной. «Чтобы только задуматься о получении изображения черной дыры, нужно разработать метод достижения невероятно высокого углового разрешения, ибо черные дыры компактны, — объясняет Доелмен. — Так, Sgr А* черная дыра в центре нашей Галактики, будет выглядеть примерно как мяч для гольфа на поверхности Луны!»

Больше и лучше

    Идея в том, чтобы с помощью технологии, называемой интерферометрией, объединить радиотелескопы, разнесенные на огромные расстояния, в единую мегаантенну. Для получения изображений центральной сверхмассивной черной дыры нужна особая методика. «Необходимое разрешение обеспечивает радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ), — замечает Доелмен. — Мы знаем, что РСДБ позволит наблюдать ближайшие окрестности горизонта событий черной дыры, где становятся заметными уникальные эффекты сильного гравитационного поля».
    Когда речь идет о поиске черных дыр, радиоволны приносят двойную пользу. Во-первых, они проникают сквозь пыль, которая поглощает свет, идущий из густонаселенных центральных районов Галактики. А во-вторых, в отличие от света, радиоволны, принятые радиотелескопами на разных континентах, можно объединить (см. «Создание телескопа для черных дыр»).

В Чили уже идет строительство телескопа ALMA, который станет ключевой частью ТГС
ЧЕРНАЯ ДЫРА

    Д-р Том Макслоу (Tom Muxlow), специалист по внегалактической астрономии из астрофизического центра Джодрелл-Бэнк, в восторге от возможностей ТГС. «Поскольку радиоволны гораздо длиннее волн видимого света, требуются массивы антенн, разнесенных на 200 км (для длины волны 4 см. — Примеч. ред.), чтобы получать изображения, сравнимые по разрешению с космическим телескопом “Хаббл”, зеркало которого имеет диаметр 2,4 м. Но ТГС будет иметь апертуру около 11 тыс. км, что по сравнению с “Хабблом” даст в 50 раз более высокое разрешение!»
    На самых же коротких волнах, около 1 мм, ТГС будет в 2000 раз «зорче» «Хаббла» и обретет исключительную остроту зрения, став первым телескопом, способным разглядеть нечто столь малое, как черная дыра. И дело не только в объединении телескопов. По словам Доелмена, «крупнейшим прорывом на сегодня стала возможность использовать новейшие технологические достижения для обработки колоссальных потоков данных».

Эксперимент Aacama Pathfinder - часть ТГС
ЧЕРНАЯ ДЫРА

    Большинство радиотелескопов настраиваются на определенную длину волны, подобно тому как выбирается станция в радиоприемнике. Но при этом отбрасывается большая часть излучения, приходящего к нам из космоса. В телескопе ТГС используется новая технология, которая захватывает более широкий диапазон длин волн. «Благодаря современным микросхемам мы расширили полосу приема в 8-16 раз по сравнению с теми возможностями, которыми располагали всего пять лет назад», — поясняет Доелмен.
    Группа из MIT уже использовала первые три антенны массива ТГС, расположенные в Калифорнии, на Гавайях и в Аризоне, для наблюдения черной дыры в центре М87. Эта гигантская эллиптическая галактика занимает центральное место в сверхскоплении Девы (в состав которого входит наша Местная Группа галактик), а в ее центре находится сверхмассивная черная дыра. «Мы пока не получили ее изображения, — поясняет Доелмен. — Но удалось измерить параметры релятивистского выброса, порождаемого огромной черной дырой в сердце М87. Это настоящий монстр — в 2 тыс. раз массивнее Sgr А*».

    ПОЛНЫЙ МАССИВ
    Телескоп горизонта событий использует существующие радиотелескопы, разбросанные по всему миру. Они специально сконструированы для работы на очень коротких волнах — о коло 1 мм. Это делает максимальным отношение размеров ТГС к его рабочей длине волны, позволяя «видеть» мельчайшие в озможные детали. Водяной пар в атмосфере поглощает эти миллиметровые волны, поэтому телескопы размещают на больших высотах и, по возможности, в пустынях.
    В первых наблюдениях были задействованы телескопы, расположенные на гавайском потухшем вулкане Мауна-Кеа (4200 м), а также в Калифорнии и Аризоне. К 2015 году они объединятся с массивом ALMA в чилийской пустыне Атакама, с высокогорными обсерваториями Испании, Франции и Мексики, а также с 10-метровым Южным полярным телескопом в Антарктиде.

    1. Субмиллиметровая обсерватория Калифорнийского технологического университета
    2. Телескоп Джеймса Клерка Максвелла
    3. Субмиллиметровый массив
    4. Объединенный массив для наблюдений в миллиметровом диапазоне
    5. Аризонская радиообсерватория / субмиллиметровый телескоп
    6. Большой миллиметровый телескоп
    7. Эксперимент Atacama Pathfinder
    8. Эксперимент Субмиллиметровый телескоп Атакама
    9. Большой миллиметровый / субмиллиметровый массив Атакама
    10. Интерферометр Плато-де-Бюр во Французских Альпах
    11. Институт миллиметровой радиоастрономии
    12. Южный полярный телескоп
    (красные - действующие, синие - строящиеся)

    ОБЩАЯ «ТАРЕЛКА»
    Телескоп горизонта событий создается на пределе возможностей радиоинтерферометрии со сверх-длинной базой (РСДБ) и о бъединяет отдельные радиотелескопы в единую виртуальную «тарелку», размер которой равен расстоянию между самыми далекими телескопами. Массив должен содержать телескопы, разделенные меньшими расстояниями, чтобы заполнить середину «тарелки». Астроном Мартин Райл (Martin Ryle) из Кембриджа начал развивать интерферометрию в 1950-х годах: его крупнейший телескоп был 5 км в длину и располагался на путях старой железной дороги Оксфорд — Кембридж.

    КАК ЭТО РАБОТАЕТ
    Телескопы наблюдают черную дыру одновременно, принимая похожие радиоволны. Каждый инструмент несет приемную антенну, она соединена с чувствительным усилителем, охлажденным до -269 °С, чтобы снизить шум от движения электронов. По оптоволоконным кабелям сигнал передается в аппаратную, где он маркируется отсчетами водородных мазерных часов и залисывается на жесткие диски. Те отсылаются в мозговой центр ТГС в Xейстекской обсерватории. Здесь группа Шепа-Доелмена использует метки времени для синхронизации записей. Затем сигналы объединяют так, будто далеко разнесенные телескопы составляют одно целое, и получается изображение, которое дал бы телескоп размером с весь земной шар.
    Слева - Мозговой центр ТГС в Хейстекской обсерватории
    Справа - Защитный кожух антенны Хейстекской обсерватории напоминает мяч для гольфа.
СОЗДАНИЕ ТЕЛЕСКОПА ГОРИЗОНТА СОБЫТИИ

    Доелмен продолжает: «Для осмысления наших наблюдений не обойтись без теории гравитации Эйнштейна. Черная дыра должна вращаться. И от ее вращения зависит строение диска, предсказываемое на основе уравнений Эйнштейна. Полученные результаты нас очень обрадовали, поскольку они означают, что можно направить ТГС на М87 и узнать, как черная дыра порождает выбросы размером с целую галактику. Всего несколько лет назад подобное было невозможно».
    Еще более интересные результаты можно будет получить, когда ТГС измерит поляризацию (ориентацию колебаний) радиоволн от М87. Это позволит определить направление магнитного поля у черной дыры и понять, как выброс ускоряется. «Впервые мы сможем проверить наши теоретические модели сильно закрученных магнитных полей», — поясняет Макслоу.

Перспективы

    Телескоп ТГС быстро растет и вскоре станет крупнейшим благодаря вливанию в него ALMА — массива миллиметровых и субмиллиметровых антенн из 66 «тарелок», который сейчас международными усилиями создается в Чили. Том Макслоу впечатлен его потенциалом: «По существующим планам астрономы смогут объединить массив 12-метровых антенн ALMA, размещенный на плато Чахнантор в Чили на высоте 5100 м, в единое 84-метровое зеркало. Это будет самый чувствительный телескоп в мире».
    И опять всё дело в оптимальном астроклимате. «Очень чувствительные РСДБ-телескопы расположены в высокогорных и крайне сухих местах, где в атмосферепочти нет водяного пара, — добавляет Макслоу. — На таких коротких волнах водяной пар поглощал бы приходящее из космоса излучение».
    Массив ALMА даст ценный вклад в Телескоп горизонта событий. «Он одним махом увеличит чувствительность ТГС почти на порядок, — говорит Доелмен. — Мы работаем над включением в состав ТГС Южного полярного телескопа — он может круглосуточно наблюдать Sgr А*».
    Главной целью ТГС будет не только изучение строения, но и получение реальных изображений черной дыры и ее окрестностей. Если следовать эйнштейновской теории гравитации, черная дыра должна выглядеть как «тень» (а не как привычный диск). Доелмен объясняет, что радиоволны, идущие от аккреционного диска, «искривляются тяготением черной дыры, образуя кольцо вокруг горизонта событий. В результате возникает впечатление тени: яркое кольцо вокруг относительно темной внутренней области».

Черная дыра Стрелец А* расположена в ядре нашей Галактики вблизи яркого остатка сверхновой (в центре снимка)
ЧЕРНАЯ ДЫРА

    Так когда же команда ТГС направит его на Sgr А*? «Где-то в 2015-2016 годах, — отвечает Доелмен. — Это особенно важно, поскольку в эти годы в Sgr А* должно врезаться облако газа и пыли массой около трех земных (обозначаемое G2). Оно породит фейерверк в центре Галактики, который будет видно с помощью ТГС. Это открывает перед нами редкую возможность проследить, как черная дыра поглощает большую порцию “пищи”».
    Астрономы многого ждут от этого проекта. Британский королевский астроном сэр Мартин Рис (Martin Rees) говорит: «Это шаг к тому, чтобы увидеть объекты масштаба черной дыры». Он предвкушает дальнейшие исследования экстремальных гравитационных полей. Однажды мы сможем изучать эти поля в ядре галактики М31, Туманности Андромеды, где находится черная дыра массой свыше 100 млн солнц. Будем надеяться, что до этого дня осталось недолго.

источники электромагнитного излучения в квартире
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru