Орбитальные телескопы могут помочь нам представить черные дыры, как никогда раньше.
Шеперд Доулман потребовалось почти десять лет, чтобы осуществить невозможное. Как директор Event Horizon Telescope (EHT), проекта с участием международного сообщества состоящего из сотни исследователей, он годами путешествовал на чемоданах, заполненных жесткими дисками по всему миру, для координации наблюдений между радиотелескопами на четырех континентах, включая Антарктиду. 9 апреля 2019 года сотрудничество, наконец, принесло плоды их труда, и мир посмотрел на первое изображение черной дыры.
Подвиг, который первопроходец-теоретик черной дыры Джеймс Бардин назвал безнадежным в 1973 году, представлял собой выдающееся достижение астрономических технологий. Но как только обработка данных была закончена, и шампанское было разлито, сотрудничество EHT в некотором смысле стало похоже на собаку, которая поймала машину. «Все удивились, что получили такой хороший снимок так быстро», — говорит Эндрю Стромингер, физик-теоретик из Гарвардского университета. «Шепард и Майкл [Джонсон, Гарвард-Смитсоновский астрофизик и координатор EHT], спрашивали меня об этом. «Что нам с этим делать? Мы сделали снимок, и что теперь?»»
Теперь Стромингер и междисциплинарная группа исследователей, включая теоретиков, экспериментаторов и одного философа, вернулись с диким ответом, который появился на прошлой неделе в журнале Science Advances. Имея доступ к достаточно удаленному телескопу, коллаборация EHT могла различить множественные отражения света, струящегося вокруг черной дыры. Разбирая точные закономерности в этих спутанных лучах, астрономы могли напрямую измерить основные свойства черных дыр и проверить теорию гравитации Эйнштейна, как никогда ранее. По сути, они надеются, что черные дыры станут больше похожи на звезды и планеты: не просто объекты для размышлений, а для непосредственного наблюдения.
«Это объекты, которые для меня были просто уравнениями, которые я пытался математически визуализировать в своем уме», — говорит Алекс Лупсаска, теоретик Гарварда, который работал над исследованием. «Но теперь мы получили их реальные фотографии».
Команда выполнила расчеты используя карандаш и бумагу, на основе теории относительности Эйнштейна и моделирования беспрецедентной резолюции, чтобы проанализировать, что черные дыры делают со светом. Внимание спойлер!: случилось что-то странное. «Черные дыры, они просто лучшие во всем, что они делают», — говорит Лупсаска. И это включает изгибание световых лучей в петли.
Как самые плотные объекты, действующие за законами физики, черные дыры обладают огромным космическим притяжением, и физики давно знают, что бездна скрывается в оболочках света. Там, где Земля может притянуть проходящий космический булыжник — втягивая его на несколько орбит, прежде чем он улетит обратно в космос, — черные дыры могут захватывать реальные легкие частицы. Все, что врезается в черную дыру, застревает внутри навсегда, но фотоны, которые близко скользят по границе, могут сделать несколько оборотов вокруг черной дыры. «Это искаженная, «кричащая» природа пространства-времени», — говорит Лупсаска.
Стромингер, Лупсаска и их коллеги точно рассчитали специфическую структуру световой оболочки и то, как она будет выглядеть, наблюдая ее с Земли.
Вот как это работает. Когда лучи света приближаются к черной дыре, ее наводящая ужас гравитация уводит их на орбиту. Лучи, проходящие на определенном расстоянии, делают пол-оборота вокруг черной дыры, прежде чем уйти в космос. Лучи, проходящие немного ближе, могут сделать полный круг, прежде чем вернуться, откуда они появились. Лучи, проходящие ближе, все равно могут сделать один и два оборота, другие два оборота и так далее. Каждая из этих бесконечных групп световых лучей может образовывать изображение (когда они попадают в камеру или глазное яблоко), поэтому черная дыра может создавать бесконечное количество таких изображений. Стромингер сравнивает этот странный эффект, с тем, как если вы станете между двумя зеркалами в универмаге и увидите, как ваши отражения растягиваются там далее.
«В идеальном мире с совершенным телескопом вы бы смотрели на черную дыру и видели не только бесконечное количество вложенных одних в другие изображений, но и всю вселенную», — говорит он.
Но EHT, как и все телескопы, не идеален. Это даже не телескоп, а технический интерферометр. Интерферометры работают, сравнивая наблюдения отдаленной точки из двух разных мест. Чем дальше друг от друга расположены места, тем более тонкие особенности объекта, которые они могут уловить. Поскольку последовательные отражения черных дыр (которые могут появиться в виде колец для наблюдателя) становятся все тоньше и тоньше, астрономы должны использовать более удаленные обсерватории, чтобы увидеть их.
Чтобы обнаружить отражающие кольца, EHT придется идти еще дальше. В конце концов, авторы исследования делают вывод, что сотрудничество должно добавить космическую обсерваторию в их сеть. Только один должен сделать это. Спутник, вращающийся вокруг Земли, может четко определить первое кольцо, или аппарат, вращающийся вокруг Луны, может увидеть второе. Если бы они могли вывести космический корабль в место между Землей и Солнцем, известное как вторая точка Лагранжа (пункт назначения будущего космического телескопа Джеймса Уэбба), они могли бы определить первые три кольца. Такая миссия может стоить несколько сотен миллионов долларов — дорого, но не так дорого, как крупнейшие научные проекты. «Это то, что когда-нибудь кто-то сделает», — говорит Лупсаска. «Это вопрос времени.»
С этой кучей денег астрофизики будут покупать множество знаний о черной дыре. Наблюдение за кольцами немедленно послужило бы первым испытанием общей теории относительности в среде с достаточно сильной гравитацией, чтобы изгибать световые лучи в полные петли. Сужение колец очень точное, поэтому любое отклонение будет сигнализировать о том, что происходит что-то странное. «Здесь нет места для маневра», — говорит Лупсаска. «Вы идете туда и проводите измерение, и оно либо соответствует теории, либо нет».
Небольшое количество теоретиков ожидают разрушения самой успешной теории Эйнштейна. Скорее, они более взволнованы тем, что кольца могут доказать существование двух черных дыр, достаточно близко расположенных для получения изображения таким образом. У астрономов есть несколько способов измерения основных свойств черной дыры, таких как ее масса и вращение, но они должны сделать много предположений, чтобы исследовать это. Образец колец зависит только от черной дыры — не имеющей ничего общего со светящейся плазмой и находящимися поблизости обломками — поэтому такие наблюдения могли бы предоставить физикам более ясный способ ответить на их самые основные вопросы об этих загадочных объектах.
И этот анализ — это только начало. После того, как работа была представлена прошлым летом (в преддверии экспертной оценки), она вызвала волну последующих исследований, поскольку физики торопились развить эту теорию. «Подчеркивается, что есть много интересных деталей, которые мы еще не исследовали, и они вдохновили нас на возможные новые исследования», — говорит Элизабет Химвич, аспирантка Гарварда, которая проанализировала, как тип света чередуется от одного кольца к другому.
Лупсаска сравнивает усилия, которые предстоит сделать на начальных этапах на примере биологии. «Прежде чем вы захотите понять, как упорядочить ДНК и использовать кластерные короткие палиндромные повторы для копирования и редактирования ДНК, сначала вы идете в лес и уточняете: «Это дерево, это цветок», — говорит он. «Именно здесь мы находимся в области физики при изучении черных дыр как экспериментальной науки».
Шеперд Доулман потребовалось почти десять лет, чтобы осуществить невозможное. Как директор Event Horizon Telescope (EHT), проекта с участием международного сообщества состоящего из сотни исследователей, он годами путешествовал на чемоданах, заполненных жесткими дисками по всему миру, для координации наблюдений между радиотелескопами на четырех континентах, включая Антарктиду. 9 апреля 2019 года сотрудничество, наконец, принесло плоды их труда, и мир посмотрел на первое изображение черной дыры.
Подвиг, который первопроходец-теоретик черной дыры Джеймс Бардин назвал безнадежным в 1973 году, представлял собой выдающееся достижение астрономических технологий. Но как только обработка данных была закончена, и шампанское было разлито, сотрудничество EHT в некотором смысле стало похоже на собаку, которая поймала машину. «Все удивились, что получили такой хороший снимок так быстро», — говорит Эндрю Стромингер, физик-теоретик из Гарвардского университета. «Шепард и Майкл [Джонсон, Гарвард-Смитсоновский астрофизик и координатор EHT], спрашивали меня об этом. «Что нам с этим делать? Мы сделали снимок, и что теперь?»»
Теперь Стромингер и междисциплинарная группа исследователей, включая теоретиков, экспериментаторов и одного философа, вернулись с диким ответом, который появился на прошлой неделе в журнале Science Advances. Имея доступ к достаточно удаленному телескопу, коллаборация EHT могла различить множественные отражения света, струящегося вокруг черной дыры. Разбирая точные закономерности в этих спутанных лучах, астрономы могли напрямую измерить основные свойства черных дыр и проверить теорию гравитации Эйнштейна, как никогда ранее. По сути, они надеются, что черные дыры станут больше похожи на звезды и планеты: не просто объекты для размышлений, а для непосредственного наблюдения.
«Это объекты, которые для меня были просто уравнениями, которые я пытался математически визуализировать в своем уме», — говорит Алекс Лупсаска, теоретик Гарварда, который работал над исследованием. «Но теперь мы получили их реальные фотографии».
Команда выполнила расчеты используя карандаш и бумагу, на основе теории относительности Эйнштейна и моделирования беспрецедентной резолюции, чтобы проанализировать, что черные дыры делают со светом. Внимание спойлер!: случилось что-то странное. «Черные дыры, они просто лучшие во всем, что они делают», — говорит Лупсаска. И это включает изгибание световых лучей в петли.
Как самые плотные объекты, действующие за законами физики, черные дыры обладают огромным космическим притяжением, и физики давно знают, что бездна скрывается в оболочках света. Там, где Земля может притянуть проходящий космический булыжник — втягивая его на несколько орбит, прежде чем он улетит обратно в космос, — черные дыры могут захватывать реальные легкие частицы. Все, что врезается в черную дыру, застревает внутри навсегда, но фотоны, которые близко скользят по границе, могут сделать несколько оборотов вокруг черной дыры. «Это искаженная, «кричащая» природа пространства-времени», — говорит Лупсаска.
Стромингер, Лупсаска и их коллеги точно рассчитали специфическую структуру световой оболочки и то, как она будет выглядеть, наблюдая ее с Земли.
Вот как это работает. Когда лучи света приближаются к черной дыре, ее наводящая ужас гравитация уводит их на орбиту. Лучи, проходящие на определенном расстоянии, делают пол-оборота вокруг черной дыры, прежде чем уйти в космос. Лучи, проходящие немного ближе, могут сделать полный круг, прежде чем вернуться, откуда они появились. Лучи, проходящие ближе, все равно могут сделать один и два оборота, другие два оборота и так далее. Каждая из этих бесконечных групп световых лучей может образовывать изображение (когда они попадают в камеру или глазное яблоко), поэтому черная дыра может создавать бесконечное количество таких изображений. Стромингер сравнивает этот странный эффект, с тем, как если вы станете между двумя зеркалами в универмаге и увидите, как ваши отражения растягиваются там далее.
«В идеальном мире с совершенным телескопом вы бы смотрели на черную дыру и видели не только бесконечное количество вложенных одних в другие изображений, но и всю вселенную», — говорит он.
Но EHT, как и все телескопы, не идеален. Это даже не телескоп, а технический интерферометр. Интерферометры работают, сравнивая наблюдения отдаленной точки из двух разных мест. Чем дальше друг от друга расположены места, тем более тонкие особенности объекта, которые они могут уловить. Поскольку последовательные отражения черных дыр (которые могут появиться в виде колец для наблюдателя) становятся все тоньше и тоньше, астрономы должны использовать более удаленные обсерватории, чтобы увидеть их.
Чтобы обнаружить отражающие кольца, EHT придется идти еще дальше. В конце концов, авторы исследования делают вывод, что сотрудничество должно добавить космическую обсерваторию в их сеть. Только один должен сделать это. Спутник, вращающийся вокруг Земли, может четко определить первое кольцо, или аппарат, вращающийся вокруг Луны, может увидеть второе. Если бы они могли вывести космический корабль в место между Землей и Солнцем, известное как вторая точка Лагранжа (пункт назначения будущего космического телескопа Джеймса Уэбба), они могли бы определить первые три кольца. Такая миссия может стоить несколько сотен миллионов долларов — дорого, но не так дорого, как крупнейшие научные проекты. «Это то, что когда-нибудь кто-то сделает», — говорит Лупсаска. «Это вопрос времени.»
С этой кучей денег астрофизики будут покупать множество знаний о черной дыре. Наблюдение за кольцами немедленно послужило бы первым испытанием общей теории относительности в среде с достаточно сильной гравитацией, чтобы изгибать световые лучи в полные петли. Сужение колец очень точное, поэтому любое отклонение будет сигнализировать о том, что происходит что-то странное. «Здесь нет места для маневра», — говорит Лупсаска. «Вы идете туда и проводите измерение, и оно либо соответствует теории, либо нет».
Небольшое количество теоретиков ожидают разрушения самой успешной теории Эйнштейна. Скорее, они более взволнованы тем, что кольца могут доказать существование двух черных дыр, достаточно близко расположенных для получения изображения таким образом. У астрономов есть несколько способов измерения основных свойств черной дыры, таких как ее масса и вращение, но они должны сделать много предположений, чтобы исследовать это. Образец колец зависит только от черной дыры — не имеющей ничего общего со светящейся плазмой и находящимися поблизости обломками — поэтому такие наблюдения могли бы предоставить физикам более ясный способ ответить на их самые основные вопросы об этих загадочных объектах.
И этот анализ — это только начало. После того, как работа была представлена прошлым летом (в преддверии экспертной оценки), она вызвала волну последующих исследований, поскольку физики торопились развить эту теорию. «Подчеркивается, что есть много интересных деталей, которые мы еще не исследовали, и они вдохновили нас на возможные новые исследования», — говорит Элизабет Химвич, аспирантка Гарварда, которая проанализировала, как тип света чередуется от одного кольца к другому.
Лупсаска сравнивает усилия, которые предстоит сделать на начальных этапах на примере биологии. «Прежде чем вы захотите понять, как упорядочить ДНК и использовать кластерные короткие палиндромные повторы для копирования и редактирования ДНК, сначала вы идете в лес и уточняете: «Это дерево, это цветок», — говорит он. «Именно здесь мы находимся в области физики при изучении черных дыр как экспериментальной науки».
