Теперь мы можем видеть нашу собственную черную дыру

• «Телескоп Event Horizon сделал еще одно замечательное изображение, на этот раз гигантской черной дыры в центре нашей родной галактики», — сказал администратор НАСА Билл Нельсон.
• Изображения горячего газа вокруг Sgr A* имеют решающее значение для исследований аккреции, потому что они говорят нам, сколько материала захватывается гравитацией черной дыры от ближайших звезд, а также сколько удается приблизиться к горизонту событий.
  Сравнение моделей с измерениями дает намеки на то, что магнитное поле вокруг черной дыры сильное и что угол между лучом зрения на черную дыру и ее осью вращения мал — менее 30 градусов. Если это подтвердится, это означает, что с нашей точки зрения мы смотрим на Sgr A* и его кольцо как бы с боку, что удивительно похоже на первую цель, черную дыру EHT M87*.
  Исследователям также удалось поймать рентгеновские вспышки от Sgr A * во время наблюдений EHT: слабую вспышку, наблюдаемую с помощью телескопа Chandra и Swift, и умеренно яркую, наблюдаемую с Chandra и NuSTAR.
• Вот этот снимок черной дыры в центре нашей галактики:
• 

Международная коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) была основана по инициативе нидерландских астрофизиков Хайно Фалька (Heino Falcke) и Серы Маркофф (Sera Markoff), их гарвардского коллеги Шеперда Дойлмана (Sheperd Doeleman) и других исследователей из различных стран. Ее учредили для сбора детальной радиоастрономической информации о сверхмассивных черных дырах, скрытых в центрах большинства галактик. За несколько лет эта команда значительно расширилась и сейчас насчитывает более трехсот участников из восьми десятков научных центров.

Участники пресс-конференции в штаб-квартире Южной Европейской обсерватории, расположенной в мюнхенском пригороде Гархинге, особо отмечали, что если бы Альберту Эйнштейну довелось ознакомиться сих заключениями, он бы с радостью улыбался, поскольку они, как и раньше, полностью подтвердили его великую теорию тяготения.

В это же время телескоп  NASA James Webb уже приготовил свой 6,5 приемный экран  и зафиксировал две массивные черные дыры в галактике возрастом в миллиард лет. Но мы остановимся на той, что к нам совсем близко – на нашей Галактике и ее черной дыре в ее центре, до которой «всего» 26 тысяч световых лет.

Интересно, что ожидаемый результат мониторинга радиоизлучения черных дыр, проведенного коллаборацией EHT, был давно известен. В 1979 году французский астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) показал, что для отдаленного наблюдателя такая дыра должна выглядеть как светящееся кольцо с асимметрично распределенной яркостью (J.-P. Luminet, 1979. Image of a spherical black hole with thin accretion disk). Оно сформировано из фотонов, которым удалось покинуть свои замкнутые орбиты вокруг горизонта событий черной дыры и уйти в окружающее пространство. Искривление световых лучей вблизи горизонта приводит к появлению внутри кольца более или менее сферического темного пятна — своего рода «тени» черной дыры. Именно такие картинки и видны на снимках, обнародованных только что и в 2019 году.

Эти изображения содержат важную информацию. Теория указывает, что радиус светящегося кольца в первую очередь зависит от массы черной дыры, что позволяет ее оценить с хорошей точностью: из-за эффектов ОТО получается, что радиус «тени» в 2,6 раза больше шварцшильдовского радиуса черной дыры (подробнее об этом см. в задаче Фотонная сфера и «тень» черной дыры). Именно это дважды проделали участники коллаборации EHT. В ходе реализации своего проекта они создали интегрированную сеть из восьми крупных радиообсерваторий, которая действует как исполинский радиотелескоп планетарного размера. Она включает две чилийские обсерватории, APEX и ALMA, пару их партнеров на Гавайских островах, SMA и JCMT, мексиканский 50-метровый радиотелескоп LMT, радиотелескоп IRAM с 30-метровой антенной, расположенный на юге Испании неподалеку от Гранады, субмиллиметровый радиотелескоп SMT на горе Грэм в американском штате Аризона и телескоп SPT на Южном полюсе. Они образовали гигантский радиоинтерферометр, который регистрировал электромагнитные волны длиной 1,3 миллиметра и обеспечивал угловое разрешение порядка 25 дуговых микросекунд. Этого оказалось достаточно как для реконструкции изображений тени черных дыр и их плазменного окружения, так и для определения их масс. Для обработки первичных данных объемом 3,5 петабайт применялись мощные вычислительные комплексы, включая суперкомпьютер немецкого Института радиоастрономии Макса Планка. Кроме того, участники проекта создали уникальную библиотеку компьютерных симуляций черных дыр и их окружения, которые активно использовались и постоянно сравнивались с результатами наблюдений.

Телескоп EHT , расположенный на 4 разных континентах

На протяжении многих лет ученые наблюдали обращение звезд вокруг какого-то невидимого, компактного и очень массивного тела в центре Млечного Пути. Этот объект получил название Стрелец А*. Измерения показали, что его масса превосходит массу Солнца в четыре миллиона раз. За годы наблюдений ученые накопили много свидетельств, указывающих на то, что он представляет собой сверхмассивную черную дыру. Но им требовалось решающее доказательство.

Проблема заключалась в том, что центр Млечного пути закрыт плотными облаками, делающими невозможным его наблюдения в видимом диапазоне. Поэтому исследователи обратились к возможностям радиоастрономии.

Задача съемки Стрельца А* была возложена на международную коллаборацию «Телескоп Горизонта Событий» (EHT). Она объединила свыше 300 ученых, 13 научных институтов и восемь крупнейших радиообсерваторий Земли, расположенных на четырех континентах. В 2017 году они наблюдали центр Млечного пути в течение многих дней. Данные накапливались на протяжении многих часов подряд, подобно тому, как это происходит во время длинных экспозиций с фотокамерой. Затем они обрабатывались при помощи суперкомпьютера.

Не так давно,  в 2019 году EHT опубликовала историческое изображение черной дыры, находящейся в центре галактики М87. Казалось бы, съемка намного ближе расположенного Стрельца А* являлась намного более простой задачей и мы уже давно должны были увидеть ее снимок. Но это не так.

Дело в том, что масса черной дыры в центре М87 составляет 6.5 млрд масс Солнца. Таким образом она в 1500 раз массивнее Стрельца А*. Измерения показали, что газ в окрестности обеих черных дыр движется с одинаковой скоростью, почти равной скорости света. Но на то, чтобы совершить один оборот вокруг намного большей по размеру дыры в центре галактики M87, ему требуется от нескольких дней до нескольких недель – в  зависимости от радиуса, на котором вращается данная часть аккреционного диска.. В свою очередь, газ совершает один оборот вокруг Стрельца А* всего за несколько минут. Из-за этого его яркость и структура время наблюдений на EHT менялась очень быстро, что серьезно усложняло задачу получения изображения.

Поэтому, исследователям пришлось разработать новые сложные алгоритмы и программы, чтобы промоделировать движения газа вокруг Стрельца А*. Изображения черной дыры усреднялись по многим различным индивидуальным визуализациям, пока наконец EHT не удалось впервые выявить тень гигантского монстра, затаившегося в центре нашей Галактики.

Две черные дыры - слева в галактике M-87 и спарва - в нашей Галактике

Также можно обратить внимание, что несмотря на существенную разницу в массе, снимок Стрельца А* напоминает изображение дыры в центре галактики М87. Это говорит о том, что они подчиняются правилам ОТО, а любые видимые отличия обусловлены окружающим их веществом.

Теперь в распоряжении астрономов имеются изображения двух черных дыр очень разных размеров. Это дает возможность проводить сравнения и использовать их для тестирования теорий и моделей поведения газа в окрестностях сверхмассивных черных дыр. Подобные процессы еще далеки от полного понимания, но, по всей видимости, именно они играют ключевую роль в образовании и эволюции галактик.

Также стоит отметить, что проект EHT продолжает развиваться и к нему присоединяются новые обсерватории. Дальнейшее расширение сети телескопов и работы по их техническому усовершенствованию должны позволить астрономам уже в ближайшем будущем получить еще более впечатляющие изображения и, возможно, даже видео о черных дырах.

Проверка справедливости Общей теории относительности (ОТО) для сильных гравитационных полей — одна из важнейших и сложнейших задач современной экспериментальной гравитационной физики. В 2015 году ученым удалось «поймать» гравитационно-волновую рябь от слияния двух черных дыр, а сейчас счет зарегистрированных слияний черных дыр идет уже на десятки, так что у ученых нет недостатка в данных.

Согласно ОТО, черная дыра представляет собой точку бесконечной плотности, но конечной полной массы (так называемую сингулярность), окруженную горизонтом событий — сферической поверхностью, радиус которой определяется массой и скоростью вращения материи (или моментом импульса), из которой черная дыра сформировалась и из-под которой не может выйти никакой сигнал. Внешний наблюдатель не может получить какую-либо информацию о процессах, происходящих под горизонтом. Но если принять во внимание квантовые эффекты, то оказывается, что черная дыра все-таки может излучать частицы, но этот эффект очень слаб и почти всегда может быть проигнорирован.

В 1971 году Стивен Хокинг доказал теорему, утверждающую, что суммарная площадь горизонтов событий всех черных дыр не может уменьшаться со временем, если принимать во внимание любые классические (то есть не квантовые) взаимодействия (S. W. Hawking, 1972. Black holes in general relativity). Это свойство очень напоминает Второе начало термодинамики, которое гласит, что энтропия (часто называемая мерой беспорядка) замкнутой системы тоже является неубывающей с течением времени величиной. Утверждение о том, что у черных дыр есть энтропия и что она пропорциональна площади горизонта, было впервые явно сформулировано Яаковом Бекенштейном (J. D. Bekenstein, 1972. Black holes and the second law). Кроме того, Хокинг показал (S. W. Hawking, 1975. Particle creation by black holes), что черная дыра может излучать частицы (это излучение обычно называют излучением Хокинга), что опять же напоминает термодинамическое поведение нагретого тела. Температура черной дыры определяется следующей формулой:

T=18πGM,T=18πGM,

где GG — это гравитационная постоянная Ньютона, а MM — масса черной дыры. Эта и почти все последующие формулы справедливы для так называемой шварцшильдовской черной дыры, у которой отсутствует момент вращения; у всех реальных черных дыр момент вращения ненулевой, но его учет не меняет картины качественно; также здесь и далее скорость света принята за единицу — это традиционное соглашение в физике частиц и астрофизике. Для черной дыры с массой порядка массы Солнца температура оказывается равной примерно 10⁻⁷ кельвин, то есть очень близко к абсолютному нулю.

Используя закон Стефана — Больцмана, связывающий мощность теплового излучения единицы площади поверхности тела (единицы площади горизонта событий в случае черной дыры) JJ с его температурой TT:

J=σT4,J=σT4,

где σσ — это так называемая постоянна Стефана — Больцмана, находим, что время, за которое такая черная дыра излучит всю свою массу (а значит, согласно формуле E=mc2E=mc2, — и энергию), составляет приблизительно 10⁶⁸ лет (для сравнения, возраст Вселенной составляет примерно 1,4·10¹⁰ лет), что объясняет возможность пренебречь излучением во всех практических задачах.

Помимо очень слабого излучения Хокинга черные дыры могут испускать и другой тип излучения: взаимодействуя с другими макроскопическими объектами, дыра может порождать гравитационные волны. Этот эффект очень похож на излучение электромагнитных волн ускоренно движущимися зарядами с той разницей, что основной вклад в электромагнитное излучение дает изменение дипольного момента системы зарядов, а в гравитационное излучение — квадрупольного.

Гравитационные волны являются волнами геометрии пространства-времени, так что, когда волна проходит по системе из нескольких тел, расстояние между ними немного меняется. Именно это изменение расстояния между объектами и измеряется в гравитационно-волновых экспериментах, для чего удобно ввести величину h=Δddh=Δdd (где dd — это расстояние между двумя объектами, а ΔdΔd — его изменение из-за гравитационной волны), называемую натяжением (strain).

Из формулы для амплитуды гравитационного излучения видно, что для того, чтобы система излучала гравитационные волны с высокой интенсивностью, колебания в ней должны происходить с большой частотой. Этого проще всего достичь для системы, состоящей из компактных объектов. Лучшим примером такой системы является пара черных дыр, вращающихся друг вокруг друга и в конце концов сливающихся воедино. При этом несколько десятков процентов суммарной массы сливающихся черных дыр может быть преобразовано в гравитационное излучение.

Сравнивая расчетные данные со спектром, продолжительностью и интенсивностью гравитационного излучения, которое регистрируется детектором на Земле, можно получить все параметры сближающихся черных дыр.

Аналогично обстоит дело и с образовавшейся большей черной дырой: спектр и интенсивность излучения, генерируемого колеблющимся после слияния горизонтом, моделируются численно, и сравнение расчетов с регистрируемым излучением позволяет найти массу и момент вращения реальной черной дыры.

Событие GW150914 представляло собой слияние двух черных дыр массой около 30 и 35 масс Солнца (по новым данным их массы составляли 31 и 39 масс Солнца, см. A. Ghosh et al., 2021. Constraints on quasinormal-mode frequencies with LIGO-Virgo binary–black-hole observations), произошедшее на расстоянии 1,5 миллиарда световых лет от Земли. Полная энергия излученных гравитационных волн составила около трех солнечных масс, а мощность излучения в течение последних 20 миллисекунд перед слиянием достигала приблизительно 3,6·10⁴⁹ Ватт, что превышает суммарную мощность светового излучения всех звезд в наблюдаемой Вселенной примерно в 50 раз. Большая часть энергии гравитационных волн была сосредоточена в диапазоне частот от 50 до 250 Гц, а частота обращения черных дыр вокруг центра масс доходила до 75 Гц., то есть две громадины обращались вокруг друг друга 75 раз за секунду».

Если бы эти две черные дыры находились близко от нас, скажем,  в 10 световых годах, то гравитационные волны периодически растягивали и сплющивали наши тела, и мы как бы очутились в комнате смеха, смотря то в выпуклое, то в вогнутое зеркало. От смеха бы все умерли. Эти колебания пространства  разорвали бы любое тело на мелкие части вплоть до атомов.

Компьютерная симуляция слияния GW150914, основанная на зарегистрированном экспериментом LIGO гравитационно-волновом сигнале, показана на видео:

Примечания и источники

Впервые волны, образовавшиеся в результате слияния пары черных дыр (это событие было обозначено GW150914), были обнаружены гравитационной обсерваторией LIGO в 2015 году (B. P. Abbott et al., 2016. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger; см. также новость Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016). Это открытие подтвердило реальность существования гравитационных волн и было удостоено Нобелевской премии по физике 2017 года.

С тех пор как было зарегистрировано событие GW150914, на детекторе LIGO и его аналоге Virgo, расположенном в Италии, было обнаружено еще около 50 подобных событий (A. Ghosh et al., 2021. Constraints on quasinormal-mode frequencies with LIGO-Virgo binary–black-hole observations), но только у одного из них, GW190521, представлявшего собой слияние двух черных дыр с массами примерно 85 и 66 масс Солнца (в только что указанной статье A. Ghosh et al. приводятся другие оценки масс участников слияния: 150 и 120 M_⊙), была сопоставимая сила сигнала (R. Abbott et al., 2020. GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M_⊙, см. также новость Зафиксирован гравитационно-волновой след от рождения черной дыры промежуточной массы, «Элементы», 07.09.2020).

• https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/images/sagittarius-a-nasa-telescopes-support-event-horizon-telescope-in-studying-milky-ways.html

Космос

• https://kiri2ll.livejournal.com/1962776.html

Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel, and Saul A. Teukolsky. Testing the Black-Hole Area Law with GW150914 // Physical Review Letters. 2021. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.011103.

Второй закон термодинамики для черных дыр подтвержден методами гравитационной астрономии

09.07.2021 • АНДРЕЙ ФЕЛЬДМАН • АСТРОФИЗИКА, ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ • 103 КОММЕНТАРИЯ

https://elementy.ru/novosti_nauki/433965/Polucheno_izobrazhenie_chernoy_dyry_v_tsentre_nashey_Galaktiki

Обзоры по этой теме

ЧЕЛОВЕК В КРОТОВОЙ НОРЕ

https://lebed.com/2016/art6871.htm