Ученые рассмотрят черную дыру через супертелескоп

Международная группа астрофизиков полна решимости всерьез заняться изучением некоторых особенностей черных дыр. В частности, планируются наблюдения процессов, происходящих непосредственно вблизи горизонта событий — области, за которой пропадает все, проглоченное дырой. Настало время дополнить теоретические изыскания практическим материалом.

Фото:

Теория в фундаментальных науках астрофизике и космологии почти всегда опережает наблюдательные факты. Наблюдения, подтверждающие справедливость и обоснованность теорий, чрезвычайно важны в научном познании Вселенной.

Черные дыры — классический пример подобного рода. Сейчас ученые не сомневаются в реальности их существования. Подтверждены многие догадки теоретиков, выявлены признаки черных дыр как физических объектов, сформулированы основные положения теории черных дыр. Черные дыры — области, обладающие чудовищным гравитационным притяжением. Где же должны существовать столь массивные образования? Астрофизики считают, что они имеются в центрах галактик, в звездных балджах. Сложность представляет то, что часто эти объекты скрыты за темными пылевыми туманностями, состоящими из вещества, переработанного в звездных эволюциях…

Они втягивают любую материю, которая под действием гравитации устремляется к черным дырам, безвозвратно "заглатывающим" весь поступающий из окружающего космоса поток вещества. Даже фотоны становятся их добычей — кванты светового излучения, попадая за так называемый горизонт событий, исчезают в ненасытной утробе черных дыр. Свидетельством поглощения материи, устремляющейся к данному объекту, является аккреционный диск, образующийся в приграничной зоне этой поглотительницы всего и светящийся в жестком рентгеновском и гамма- излучениях.

Читайте также: Черные дыры станут коллайдерами?

Иногда взаимодействие этого диска с черной дырой порождает космическое явление под названием релятивистские джеты. Гигантские струи плазмы извергаются из центров галактик со скоростью, сравнимой со скоростью света! Это явление наблюдается у 10 процентов активных ядер галактик, в сердце которых существуют массивные черные дыры. Первую струю вещества, движущегося с релятивистской скоростью, наблюдали в 1918 году, и распространялась она на расстояние в 5 тысяч световых лет.

Предполагается, что породила ее сверхмассивная черная дыра с массой порядка 6,6 миллиарда солнечных масс в галактике М 87. С тех пор эта галактика, расположенная в 50 миллионах световых лет от Земли, не дает покоя астрономам. Она представляет собой гигантскую эллиптическую галактику, крупнейшую в галактическом скоплении из созвездия Девы. Ее масса равна 2-3 тысячам миллиардов солнечных масс, а кроме того, М 87 является мощным источником радио- и гамма-излучений.

В последние годы сделаны некоторые уточнения: в июне 2009 года астрономы Карл Джебхардт (Karl Gebhardt) и Йенс Томас (Jens Thomas) детализировали результаты своих исследований массы черной дыры в центре M 87 на американской Астрономической конференции в Пасадине (США). Согласно представленным данным, она примерно в 6,4 миллиарда раз больше массы Солнца. В 2010 году было обнаружено, что данная дыра смещена на 22 световых года относительно геометрического центра, определяемого по центральной части видимой интенсивности излучения.

Но самым главным является следующее: все, что попадает в пасть этой поглотительницы, вскоре, просияв в аккреционном диске, пропадает за горизонтом событий! Для исследования деталей этого процесса, совершающегося так далеко в космосе, осуществлен интереснейший координированный проект по объединению нескольких радиотелескопов в один крупномасштабный интерферометр для прямого наблюдения ближайшего окружения черной дыры. Название проекта — ЕНТ (Event Horizon Telescope) — переводится как телескоп горизонта событий, то есть множество телескопов будет объединено в единый конгломерат для выявления этого пресловутого горизонта событий, за который не проникает взгляд наблюдателя, а материя проваливается в черную дыру.

В рамках проекта объединились Массачусетский технологический институт, Обсерватория Аризонского университета, Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, обсерватории Беркли, Калтеха, Астрономическая обсерватория Японии, Институт Макса Планка и другие. Предполагается исследование черной дыры в центре Млечного пути! При этом угловое разрешение такого интерферометра должно быть не меньше, чем угловая величина горизонта событий. Завершение работ запланировано на 2022 год, но наблюдения при помощи части телескопов интерферометрической сети проводятся уже сейчас. Их объектом является гигантская эллиптическая галактика М 87.

Международный коллектив ученых под руководством Шепарда Доэлмана (Sheperd Doeleman) из Обсерватории Хэйстак Массачусетского технологического института изучал ядро галактики М87, свет которой шел к нам 50 миллионов лет. Сверхмассивную ЧД в центре звездного скопления М 87 астрономы исследовали с помощью данных сразу четырех радиотелескопов — в Аризоне, Калифорнии и на Гавайях. Было создано программное обеспечение для объединения в один интерферометр вышеупомянутый телескоп EHT. Это сложное устройство позволило получать изображения в 2 тысячи раз более точные, чем снимки космического телескопа "Хаббл". С помощью ЕТН ученые детально исследовали светящуюся область на границе черной дыры. Результаты исследований опубликовал журнал Science.

В координированном эксперименте впервые точно измерили диаметр аккреционного диска. Оказалось, что он всего в 5,5 раза больше радиуса горизонта событий. Как и предполагалось, диск и дыра вращаются в одном направлении. Расчеты подтверждают, что если бы они вращались в разные стороны, диску не хватило бы энергии (при размере меньше девяти радиусов горизонта событий). Это открытие может внести ясность в природу образования релятивистских джетов, а также послужить беспрецедентной проверкой общей теории относительности Эйнштейна!

Две гипотезы выдвинуты для объяснения релятивистских струй плазмы. Первая трактовка заключается в том, что они возникают при взаимодействии аккреционного диска с магнитным полем самой дыры. По второй версии, у самого горизонта событий тела могут распадаться на две части. При этом одна часть пересекает горизонт событий и навсегда пропадает, а другая ускоряется в направлении наружу за счет энергии вращения черной дыры и выбрасывается в виде джета. Разгадка тайны горизонта событий в трудах Альберта Эйнштейна намечена достаточно отчетливо: расстояние, на которое материя должна приблизиться к черной дыре, чтобы затем навсегда кануть в ее пропасть, определяют масса и скорость вращения этого объекта.

Читайте также: Черная дыра убегает из галактики

"Теория Эйнштейна была проверена в условиях низкой гравитации Солнечной системы, но еще никто не проверял ее в единственном месте во Вселенной, где эта теория может дать сбой — на краю черной дыры", — говорит Шепард Доэлман. Измерения размеров релятивистских струй в галактике М 87 могут способствовать определению скорости вращения в центре космической поглотительницы. Для этого нужно произвести множество измерений. Пока еще рано говорить о результатах, но планируется расширение возможностей EHT за счет подключения к нему ряда радиотелескопов, работающих в Чили, Европе, Мексике и Гренландии.

Так развивается исследование черных дыр, обнаруживаемых по их характерным особенностям. Представьте себе, что ученые предполагают существование белых дыр — это такие области, куда нельзя попасть ни материи, ни излучениям. Правда, они пока не обнаружены, а признаки их неизвестны.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"