Черные дыры: как сделать фотографию величайшей загадки Вселенной

Почти каждое изображение черной дыры, которое мы видели, не является фотографией. Это лишь приблизительная иллюстрация того, как они могут выглядеть, основанная на математической теории и довольно недавних доказательствах существования черных дыр.

Черные дыры – это прожорливые звери
Черные дыры это прожорливые звери, являющиеся одними из самых волшебных объектов в космосе, которые очень трудно сфотографировать

Все изменилось в 2019 году, когда группа ученых объединила несколько важных моментов: отработанную технику астрономии, отличное глобальное сотрудничество и достижения в области хранения и вычисления данных для создания первого в истории изображения черной дыры.

Всего несколько месяцев назад эта же команда показала долгожданное второе изображение черной дыры в центре нашей Галактики. Эти два изображения, столь же размытые, но не менее важные, являются частью золотого века «новой астрономии». Это век, когда закон Мура, машинное обучение и, наконец, квантовые компьютеры могут открыть один из самых удивительных и загадочных объектов Вселенной.

Черные дыры: торопливые двигатели нашей Вселенной

Тайны черных дыр очень глубокие. Подобно бесконечному гравитационному колодцу, они представляют собой область пространства-времени, где так много массы сгущается в такое крошечное пространство, что гравитация преодолевает все известные силы. Она так сильна, что даже свет не может вырваться наружу. Настолько мощная, что может разорвать звезды на части. Настолько причудлива, что в ней время может резко остановиться.

Трудно представить концепцию черных дыр. Объекты бесконечно плотные, как будто сжимают массу Земли до размеров монеты. Даже Эйнштейн, Общая теория относительности которого предугадала существование черных дыр, считал эту идею настолько радикальной и невероятной, что до конца жизни имел большие сомнения. Тем не менее через 100 лет после новаторской теории Эйнштейна астрономы подсчитали, что в видимом спектре Вселенной существует более 40 квинтиллионов (40 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) черных дыр.

Сверхмассивная черная дыра (симуляция). Источник: NASA

Космическая фотография прошла долгий путь, но черные дыры невидимы для человеческого глаза. Поскольку все вовлекается в их гравитационное поле, они не излучают ничего, что могли бы обнаружить наши приборы. Однако ученые никогда не бывают слишком удивлены невозможным. За многие годы астрофизики и математики нашли достойные Нобелевской премии способы обнаружения черных дыр, изучая, как они управляют орбитами звезд вокруг них. К примеру, черная дыра в центре нашей Галактики заставляет светила вести себя так, как бактерии в чашке Петри.

Есть и другие подсказки определения местоположения черной дыры. Весь горячий газ и звездная пыль у черных дыр пытаются втиснуться в плотную точку, создают сильное трение. И когда материя турбулентно трется, она нагревается до миллиарда градусов и светится. Парадоксально, но черные дыры являются одними из самых светлых объектов на небе. Ученые рассчитали, что можно увидеть ужасную границу, где фотоны все еще вращаются вокруг черной дыры, и точку, где ничто не может покинуть ее — горизонт событий.

Но это теория. На самом деле черную дыру еще никто не видел. Настоящая проблема с визуализацией черных дыр заключается не только в черноте или свечении. Дело в том, что они очень далеко находятся.

Телескоп размером с Землю

Ближайшая сверхмассивная черная дыра — это Стрелец А* (Sgr A*), которая находится в галактическом центре Млечного Пути. Расстояние до нее составляет 26 тысяч световых лет, поэтому космическому зонду, такому как «Вояджер-1», понадобится более 400 млн лет, чтобы добраться до нее. Существуют также гигантские черные дыры, например, в галактике Messier 87. Имея размеры 24 млрд миль в поперечнике и массу в шесть с половиной миллиардов раз больше солнечной, она является одной из самых известных черных дыр.

Однако смотреть на любой из этих объектов в телескоп все равно, что пытаться сфотографировать пончик на Луне.

Увеличительная сила телескопа ограничена размером его антенны. Чтобы получить достаточно высокое разрешение и рассмотреть этот пончик: глазирован ли он или наполнен заварным кремом, потребуется телескоп размером с Землю. Хотя это произойдет не скоро, один ученый придумал, как это сделать.

Шепард Доулман — астрофизик из Центра астрофизики Гарвардского университета и Смитсоновского института. Он изучал метод радиоастрономии, называемый интерферометрией с очень длинной базой (VLBI), когда несколько телескопов, расположенных на расстоянии тысяч миль друг от друга, одновременно наблюдают за тем же небесным объектом, имитируя работу телескопа на расстоянии, равном расстоянию между ними.

Extremely Large Telescope
Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope)

Чтобы создать телескоп размером с Землю, Доулману нужно было создать множество телескопов. Ему пришлось спроектировать, построить и установить новое оборудование в самых дорогих телескопах мира. Ему понадобились атомные часы, чтобы синхронизировать их с точностью до миллиардной доли секунды. Кроме того, ему нужно было объединить десятки ученых, инженеров и институтов для сотрудничества по проекту с фантастическим, но неправдоподобным результатом. На это ушло более десяти лет, но Доулман и присоединившиеся к проекту сотни ученых справились с задачей.

В течение нескольких ночей в 2017 году восемь телескопов работали в идеальной синхронизации, чтобы зафиксировать электромагнитные волны вокруг черной дыры. Они использовали постоянно растущие скорости хранения, обработки и передачи данных, чтобы расширить чувствительность телескопа к беспрецедентному разрешению и создать один из самых больших наборов данных, когда-либо зарегистрированных за время астрономических наблюдений.

Еще несколько лет ушло на создание инструментов и алгоритмов, способных объединить и синтезировать изображения из 5 петабайт данных и полутонны жестких дисков. Не имея предварительных или существующих данных, на которые можно было бы сослаться, команда должна была убедиться в том, что изображение не будет искажено человеческой предвзятостью.

10 апреля 2019 года Доулман вышел на сцену и впервые показал миру изображение черной дыры. «Мы увидели то, что считали невидимым», — сказал он.

M87.
Первое полученное «фото» сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Полосы показывают поляризованный свет от аккреционного диска

На следующий день это изображение было на первой странице почти каждой газеты. Сенсационная веха в истории человечества и вопрос: что дальше?

Следующее поколение фотографий черных дыр

У людей есть одна фантастическая черта: независимо от того, насколько впечатляющим был прорыв или насколько невозможно что-то казалось всего секунду назад, это сразу же воспринимается как ступенька для следующего большого события. Для Доулмана было ясно, что этот снимок — только начало.

Чтобы создать изображение более высокого разрешения и первый фильм о черной дыре, уже реализуется проект следующего поколения — EHT. В рамках проекта планируется задействовать больше телескопов, собрать новые длины волн и использовать кривую закона Мура для сбора более подробных данных, чем когда-либо ранее.

По словам Камалджита Сингха, технолога компании Western Digital, в рамках проекта оценивается один из новейших корпусов для флеш-накопителей компании. Сервер размером с чемодан, оснащенный скоростными накопителями, может увеличить совокупную способность сбора данных до половины терабита данных каждую секунду. «Это в 8 раз больше того, что использовалось в проекте всего несколько лет назад», — сказал он.

Стрелец А*
Первый в истории снимок Стрельца А* — черной дыры, расположенной в центре Млечного Пути. Источник: EHT Collaboration

Недавно черные дыры были предметом спора. Теперь они стали предметом одержимости. Только в прошлом месяце ученые объявили об открытии блуждающей черной дыры, ответили на загадку, как черные дыры образовались в ранней Вселенной, и обнаружили быстро растущую черную дыру (поглощает эквивалент массы Земли каждую секунду).

Ускорение прогресса в технологиях хранения, передачи и обработки данных наряду с поразительными успехами космического телескопа James Webb и новой эрой малых спутников вооружает ученых новыми инструментами.

Тайны, наконец, являются окончательным призывом к действию. И хотя мы до сих пор не знаем, что находится внутри черной дыры, технологии приближают нас к этому как никогда раньше.

Сравнение размеров черных дыр
Сравнение размеров черных дыр в центре Млечного Пути и в центре галактики М87. Источник: EHT collaboration

Ранее мы сообщали о том, как астрономы усомнились в правдивости первого фото черной дыры.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Новый квантовый компьютер установил рекорд скорости действия
Blue Origin демонстрирует технологию вертикальной посадки ракеты New Glenn: видео
Космическое кольцо: астрономы сфотографировали гиперсветящуюся галактику
Похищение «Луны-2»: как ЦРУ разузнали секреты советской космической программы под носом у КГБ
Ученые обнаружили недалеко от Солнца невероятно быстрый объект
Галактика-конструктор: телескоп Hubble сфотографировал необычного соседа Млечного Пути
Астронавты будут оставаться на борту МКС во время падения в атмосферу Земли
Не замечали 55 лет: пенсионер обнаружил ошибку в старой видеоигре Lunar Lander
Новый солнечный цикл уже мог начаться
Ученые нашли способ предсказывать самые тяжелые магнитные бури