04.09.2008

Чёрная дыра крупнее света

Телескоп размером в тысячи километров позволил разглядеть чёрную дыру в центре нашей Галактики в небывалых деталях. Размер источника света – меньше 25 миллионов километров, а значит, у объекта есть горизонт событий – главная особенность настоящих чёрных дыр, отличающая их от альтернативных самозванцев.

В центре каждой уважающей себя галактики должна быть чёрная дыра. И не простая, а сверхмассивная, которая весит от нескольких миллионов до многих миллиардов масс Солнца. Сами по себе эти объекты, на границе которых застывают время и свет, не светятся, и большую часть времени они тихо сидят в центрах своих галактик, едва-едва выдавая своё присутствие мерцанием нагретого замагниченного газа, который, сжимаясь, медленно приближается к горизонту событий, где он навечно скроется.

Но иногда чёрным дырам удаётся поживиться. Бывает, звезда в своих блужданиях по галактике забредает слишком близко к дыре и оказывается разрушена мощнейшими приливными гравитационными силами невидимого монстра. Бывает, галактика, в центре которой он сидит, сталкивается с другой. Тогда при перестройке орбит всего вещества, обращавшегося до столкновения вокруг центров двух галактик, в опасной близости от чёрной дыры могут оказаться облака газа, которые также рано или поздно будут проглочены.

Пока чёрная дыра пирует, падающий в неё газ ярко светится, нагреваясь до миллионов и миллиардов градусов из-за трения во вращающемся вокруг дыры так называемом аккреционном диске. Избытки же вещества, которые чёрная дыра не может проглотить, вылетают наружу в виде двух струй или джетов, в образовании которых, видимо, ключевую роль играет магнитное поле. В такие моменты на небе загорается активное галактическое ядро, и те миллионы лет, пока оно светит, можно быть уверенным, что масса чёрной дыры непрерывно увеличивается за счёт пожираемого газа и звёзд.

Чёрная дыра в центре нашей Галактики за свою историю много не наела. Её масса – всего 3,5–4 миллиона солнц. Это немного по меркам сверхмассивных чёрных дыр, и такой огромной звёздной системе, как Млечный путь, наверное, должно быть даже обидно, что в центре его спиральных рукавов прячется такая кроха. Впрочем, человечеству, возможно, огорчаться не стоит: небольшой вес центральной дыры намекает на то, что история Млечного пути обошлась без крупных столкновений с другими звёздными системами; а неизвестно, как бы пошла история жизни на Земле, если бы такие столкновения были.

Тем не менее, именно наша «родная» чёрная дыра – самый притягательный объект для астрономов и тех физиков, что всё ещё сомневаются в существовании этих объектов.

Причина этого проста – у чёрной дыры в центре нашей Галактики самый большой размер на небе.

Настоящий, линейный, выраженный в сантиметрах размер чёрной дыры – то есть того «горизонта событий», из-под которого ничто, даже свет, не может убежать наружу – пропорционален её массе. Так что во Вселенной есть черные дыры, диаметр которых в тысячи раз превышает 20–25 миллионов километров, соответствующих «нашей» чёрной дыре. Но все эти расположены очень далеко, потому угловой, в градусах и их разнообразных долях, размер чёрной дыр на небе больше всех именно у объекта, расположенного в центре нашей галактики. Существует немало кандидатов в чёрные дыры, расположенных ещё ближе к Земле, но они из совсем другой весовой категории чёрных дыр звёздных масс, а потому гораздо меньше.

Тем не менее, если выразить этот «самый большой размер на небе» числом, получится очень маленькая величина – диаметр чёрной дыры должен составлять примерно 20 угловых микросекунд. Поскольку из-под горизонта никакое излучение не выходит, мы можем рассчитывать увидеть лишь вещество, которое находится рядом с границей чёрной дыры.

Световые лучи в её окрестностях выписывают замысловатые траектории, благодаря чему изображение, которое мы видим, распухает ещё в два–три раза. В итоге мы можем надеяться увидеть на месте чёрной дыры источник размером около 50 угловых микросекунд.

Это по-прежнему очень мало – примерно в 100 миллионов раз меньше углового градуса, в 2 миллиона раз меньше разрешения человеческого глаза и в тысячу-другую раз меньше самых крохотных подробностей неба, которые можно разглядеть с помощью космического телескопа имени Хаббла.

Видеть столь мелкие детали способны только радиоастрономы.

Это особая каста учёных, которые никак не походят на стереотип астронома – причудливого старичка в расшитом звёздами плаще, просиживающего ночи напролёт в обсерватории. Радиоастрономы направляют в небо огромные чаши радиотелескопов, которым обычно не мешает и дневной свет, и записывают шумы, которые появляются в фокусе этих антенн.

Радиоастрономы хотя и немногочисленны, но в некоторых вопросах гораздо успешнее своих оптических коллег – например, большая часть из тех немногих Нобелевских премий, что достались астрономам, уехали именно в радиообсерватории. Эти же люди умеют получать самые подробные изображения неба.

Последнее обстоятельство, вообще говоря, парадоксально. Из-за волновой природы электромагнитного излучения размер самых мелких деталей, которые различимы в телескоп, примерно равен отношению длины волны к диаметру телескопа. Но радиоволны – это как раз самые длинные волны, и подробность изображения, полученного с их помощью, должна уступать оптическому снимку и тем более ультрафиолетовому или рентгеновскому.

Спасает метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Радиоастрономы научились обращать зло большой длины радиоволн во благо, объединяя записанные на разных континентах колебания электромагнитного поля и превращая таким образом Землю в гигантский «виртуальный радиотелескоп» диаметром тысячи километров. Конечно, при таком объединении требуется исключительная стабильность записей, поэтому РСДБ считается верхом наблюдательного искусства в радиоастрономии. Записывать подобным образом оптические сигналы пока никто не умеет – их частота настолько высока, что детекторы успевают почувствовать лишь усреднённые характеристики электромагнитного поля.

Учёные из США, Нидерландов и Германии под руководством Шепа Доулмана из Массачусетского технологического института построили свой «виртуальный радиотелескоп» на данных, полученных с помощью антенн в американских штатах Аризона, Калифорния и на Гавайях. Результаты этой работы изложены в последнем номере Nature. Наблюдения центра нашей галактики, которые состоялись ещё в апреле прошлого года, Доулман и коллеги провели с помощью радиоволн длиной всего 1,3 миллиметра.

Это и вовсе высший пилотаж. Для обеспечения стабильности записи данных, которые каждый детектор выдавал со скоростью полгигабайта в секунду, пришлось использовать эталон времени на основе водородного мазера – по сути, атомные часы. Кроме того, все данные калибровались по шести небесным радиоисточникам, сигналы от которых записывались всякий раз перед началом наблюдений галактического центра.

Короткая длина радиоволн и тысячи километров расстояния между антеннами позволили достичь небывалой точности всего в 40 угловых микросекунд. На расстоянии в 25 тысяч световых лет от Земли, где находится центр галактики, это соответствует всего 50 миллионам километров, что втрое меньше расстояния от Земли до Солнца. Именно с таким разрешением астрономы и смогли пронаблюдать нашу центральную чёрную дыру, а точнее – загадочный источник радиоизлучения Стрелец A*, или Sgr A*, который неизменно связывают с чёрной дырой последние несколько десятилетий.

У миллиметровых радиоволн есть ещё одно преимущество – их меньше замывают неоднородности ионизованной межзвёздной среды, через которые идут радиоволны. Для длины волны в 1,3 миллиметра это размытие составляет 20 угловых микросекунд, а для сантиметровых – уже тысячу с лишним. Понятно, что увидеть объект размером 50 угловых микросекунд на сантиметровых радиоволнах нельзя.

Собственно, у Доулмана и его коллег «увидеть», создать изображение Sgr A* не получилось.

То, что многие поспешили объявить «портретом» чёрной дыры, – не более чем рисунок.

Пытаться восстановить настоящее изображение радиоисточника в данном случае – дело безнадёжное, поскольку данных с трёх плеч интерферометра, в одном из которых к тому же не удалось зафиксировать вменяемого сигнала, – недостаточно.

Однако учёным удалось показать, что источник радиоволн Sgr A* размерами меньше, чем 40 миллионов километров, а с учётом распухания его видимых размеров благодаря искривлению лучей истинный размер должен быть меньше 20–25 миллионов километров.

Это означает, что здесь не может прятаться какой-то светящийся объект без горизонта событий.

Масса Sgr A* точно измерена по движению звёзд в его окрестностях, но у продолжающих отказывать чёрным дырам в праве на существование скептиков оставалась уйма экзотических вариантов, способных объяснить природу этого объекта. Это могли быть кварковые звёзды, какие-нибудь массивные образования из бозонов – частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий, просто очень тесное скопление радиоисточников.

Теперь эти варианты исключены, поскольку все такие объекты должны быть больше, чем чёрная дыра. Только она может заставить светиться что-то в своих окрестностях – например, те же акрецционный диск или джеты – и при этом спрятать основную массу в темноте, за горизонтом событий, из-под которого не пробивается свет. Чтобы отрицать существование чёрной дыры в центре нашей галактики теперь, придётся серьёзно пересмотреть современные представления о гравитации, причин чему пока не видится.

Теперь, когда дверь в РСДБ-исследования центра Млечного пути открыта, астрономы с нетерпением ждут появления настоящих изображений с помощью ещё более коротких радиоволн.

По этим «фотографиям» можно будет понять, как крутятся чёрная дыра и само пространство-время рядом с ней, поскольку от параметров вращения сильно зависит, как искривляются лучи света в окрестностях чёрной дыры, которые и создают итоговое изображение.

А вот уже по скорости вращения можно будет узнать, как росла чёрная дыра, чем и как долго она питалась, откуда пришло то вещество, из которого она теперь состоит. История всей нашей галактики и её центральной чёрной дыры связаны воедино, так что наблюдая далёкого монстра, мы изучаем своё собственное прошлое.

Источники:

1. Газета.Ru