Тень тьмы

Время на чтение: менее минуты Автор: Среда, 01 мая 2019 17:35
Оцените материал
(1 Голосовать)

Фотография, обнародованная 10 апреля командой Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий», EHT) станет одним из символов десятилетия.

На ней изображена «тень» черной дыры — результат многолетней работы крупнейших телескопов мира и обработки сотен терабайт научных данных.

Для того чтобы объект навсегда покинул Землю, ему нужно придать скорость 11,2 км/с, так называемую вторую космическую. Она зависит от массы планеты и ее радиуса. Если Землю сжать до шара размером с вишенку, то вторая космическая скорость для нее превысит скорость света и покинуть то, что останется от планеты, станет невозможно. Земля превратится в черную дыру. На самом деле черными дырами становятся сверхмассивные звезды с массой ядра, что превышает по меньшей мере три Солнца. Земле, как и нашей звезде, такой конец не грозит. В центре галактик находятся настоящие чудовища — черные дыры с массами более миллиона и миллиарда солнечных, они разрывают звезды, которые появляются рядом. Эти чудовища образовались из межзвездной пыли еще во время формирования галактик.

Хотя черные дыры и считаются привычными космическими объектами, а также являются самым смелым предсказанием теории Айнштайна, прямых доказательств их существования нет. Ведь нельзя непосредственно наблюдать то, что не выпускает свет наружу. Зато есть немало косвенных свидетельств. Ситуация похожа на атомную теорию начала XX века, когда мало кто из ученых сомневался в существовании атомов, хотя это доказал лишь в 1908 году Жан Перен. Кстати, и здесь не обошлось без Айнштайна: Перен сумел экспериментально проверить его теорию относительно броуновского движения.

В 2015-м, эксперимент LIGO детектировал гравитационные волны - еще одно из предсказаний теории относительности. Массивные тела искривляют пространство-время, а другие объекты «чувствуют» это искривление. Таким образом реализуется гравитационное взаимодействие. Если же два массивных объекта, такие как черные дыры, вращаются вокруг общего центра масс, пространство-время расходится от них "волнами". Все, что перпендикулярно распространению волн, немного будет удлиняться и сокращаться. Эффект в сотни раз меньше размера атомного ядра, поэтому потребовалось почти 100 лет, чтобы развитие технологий позволило уловить гравитационные волны. Согласно расчетам, первые задетектированные волны образовались вследствие слияния двух массивных черных дыр суммарной массой больше 65 солнечных. Какие объекты во Вселенной, кроме черных дыр, не могли образовать такие волны, и результат LIGO впервые почти напрямую подтвердил их существование.

Собственно, с точки зрения теории относительности, черные дыры — это глубокие провалы в пространстве-времени, заканчивающихся сингулярностью. Само слово «сингулярность» часто появляется в фантастике, возбуждая воображение писателей или сценаристов. Материя в этой точке достигает такой плотности, что известные законы физики к ней уже невозможно применить. По некоторым теориям, сингулярность — это скомканное пространство-время. Другие теории объясняют это как прорыв пространства-времени. Самые экстравагантные из них описывающих кротовые норы, якобы черная дыра на самом деле является туннелем в другую часть Вселенной.

Другим важным свидетельством их существования стала недавняя фотография. Что мы вообще видим на ней? Черная дыра находится в галактике M87 в созвездии Девы, на расстоянии 53 млн. световых лет и весит в 6,5 млрд. раз больше солнца. Радиус Шварцшильда, то есть расстояние от дыры, из которой уже ни одна частица не может вылететь, равна примерно 10 млрд. км. — в два раза больше, чем расстояние от Солнца до Нептуна. Вокруг дыры вращается акреционный диск из плазмы и фотонов, понемногу поглощаемых ею. Они образуют фотонную сферу. Когда луч света проходит по касательной чуть дальше от сферы, он идет себе дальше. Если ближе к черной дыре — фотоны поглощаются. И вот искаженное изображение фотонной сферы мы и видим на фотографии. Из-за сильного искривления пространства-времени, лучи света которые проходят рядом с дырой, искривляются и размер яркой фотонной сферы кажется более реальным.

Несмотря на название, черные дыры могут быть одними из самых ярких объектов во Вселенной. В 1974-м, советские астрофизики Николай Шакура и Рашид Сюняев выдвинули предположение о существовании акреционных дисков. Если дыра находится рядом со звездой, то она будет захватывать плазму. Последняя, закручиваясь по спирали, медленно падает в бездну и будет разогреваться до миллионов градусов из-за трения. С некоторых дисков вырываются струи плазмы — релятивистские джеты, которые могут быть ярче целых галактик и в длину достигать миллионов световых лет. Черная дыра М87 характеризуется таким джетом. Его наклон относительно наблюдателей с Земли 17 градусов, он перпендикулярен плоскости акреционного диска дыры, благодаря чему легко установить, под каким углом видна дыра на фотографии.

Фотография, представленная EHT, на самом деле является комбинацией результатов четырех дней наблюдений. Нижняя часть ярче, ведь диск повернут к нам на небольшой угол, и благодаря его вращению она приближается к нам, а верхняя часть удаляется.

Для получения изображения использовалась система из восьми телескопов. Видимый размер дыры составляет около 20 угловых миллисекунд (угловая секунда — это 1/3600 градуса). Ни один телескоп не справился бы с таким заданием: это все равно что разглядеть соринку на поверхности Луны. Каждый телескоп характеризуется дифракционным пределом разрешения. Формула простая: длина волны, на которой ведется наблюдение, делится на размер телескопа или же на базу, расстояние между телескопами, работающими в паре. Дыру наблюдали на длине волны 1,3 мм, она плохо поглощается веществом акреционного диска. Благодаря комбинации телескопов в Антарктиде, Чили, Мексике, США - размер базы телескопа равен диаметру Земли. Наблюдения проводили в течение четырех апрельских дней в 2017-м, каждый из телескопов создал 350 терабайт данных, и их обработка продолжалась два года.

Реальный масштаб. Фотонная сфера кажется большей из-за искривления траектории света, и называется тенью черной дыры

Так как в работе было использовано два телескопа на Гавайях, дыру M87 решили назвать Powehi. С гавайского это переводится как "необъятная пустота" - название происходит из мифов о сотворении мира.

Кластер телескопов одновременно наблюдал и за Стрельцом А — сверхмассивной черной дырой в центре нашей галактики. По сравнению с М87 она просто карликовая: «всего» 4 млн. солнечных масс. Однако расположена на расстоянии 26 тыс. световых лет и имеет тот же угловой размер. Вполне возможно, что через год, когда закончится обработка данных, мы получим еще одну фотографию бездны.

Большой вклад в обработку данных сделала Кэтрин Боумен — молодой американский ученый, PhD по компьютерным наукам, которая и придумала алгоритм для создания изображения. Девушка стала звездой, а фотографию, на которой она сидит рядом с десятками жестких дисков с данными по проекту, сравнили с фотографией Маргарет Гамильтон рядом с бумагами с написанным кодом для космической программы «Аполлон». При этом, Боумэн стала жертвой харассмента: недоброжелатели унижали ее роль в проекте и пытались выставить все так, будто она присваивает все достижения себе. Тогда как сама девушка не раз отмечала, что все стало возможным лишь благодаря работе большой команды.

Команде EHT также удалось смоделировать потоки вещества падающих на дыру, и сопоставить их с реальностью; точно измерить массу M87 (оценки давали результаты, отличающиеся вдвое); сделать оценку скорости вращения дыры; разработать алгоритмы для обработки огромных массивов информации. И важным результатом стало и другое. Мало какой научный проект получает столько отзывов от далеких от науки людей. Фотографии черной дыры заполнили ленты соцсетей и стали объектами для фотоколлажей. Powehi с научной, быстро превратилась в культурное событие. Редко когда результаты плодотворной научной работы могут быть представлены широкой публике так наглядно. А именно она из своих налогов и спонсирует науку.

TOP-10

Во поле берёзонька стояла

-Всем знакома знаменитая песня "Во поле берёза стояла". Это любимая…

Историческая встреча в космосе над Эльбой 17 июля 1975

44 года назад состоялся совместный полет в космос с американцами.…

Откуда растут ноги у глобальных кризисов

В мире мало специалистов, которые занимаются будущим. Будущим самого человека.…

Рецензия на сериал "Сотня" (2014-...)

Приветствую вас, уважаемые читатели! Знаете, есть в истории мирового кинематографа…

Конкурс “Эпические 90-е”. Первый раз в первый класс...

Приветствую вас, уважаемые читатели! Принимая участие в Конкурсе "Эпические 90-е",…

Информационная диверсия.

Бравый грузинский оппозиционный ведущий сделал то, что можно назвать полной…

О причинах эстафет фотографий животных на блокчейне Голос

На площадке Голос ныне осталось совсем мало людей, а интересных…

«Эпические 90-е» – Лазерный техник-сан

Знакомство с Павлом произошло в 80-х в Политехе, когда я…

Иван-чай не традиционный

Здравия всем! Решил поделиться одним своим рецептом или способом использования…