Какво ще видим, когато погледнем в бездната

Европейската южна обсерватория обеща на 10 април да съобщи важно събитие в астрономията - първата снимка от телескоп на хоризонта на събитията на черна дупка. Тя ще бъде съставена от данните на Event Horizon Telescope - глобална мрежа от радиотелескопи.

Този международен проект стартира с цел детайлно проучване на непосредствената околност на свръхмасивни черни дупки, разположени в центровете на всяка галактика, включително Млечния път. Очаква се, че съвместната работа на много телескопи ще направи възможно да се разгледа самата черна дупка или по-скоро нейната сянка.

Как се променя нашата представа за изображението на черните дупки и какво означава „да ги видим“ в този контекст?

Най-популярният образ на черна дупка е този на Гаргантюа във филма Interstellar, за чиято научна достоверност гарантира теоретичният физик Кип Торн (Kip Thorne) от Калифорнийския технологичен институт. Получената картина е наистина пълна с детайли и прояви на необичайни оптични ефекти. Но по настояване на режисьора Кристофър Нолан е приета по-опростена версия, за да изглежда по-добре на екрана и да не изненадва твърде много зрителите. 

Дали първите изображения, получени от астрономите,  ще приличат на генерираните от компютърните симулации?

^{Модел на свръхмасивна черна дупка.Кредит: School of Physics and Astronomy at the University of St Andrews}

^{Реална свръхмасивна черна дупка NGC 4261. Кредит: School of Physics and Astronomy at the University of St Andrews}

Черните дупки в известен смисъл остават хипотетични обекти, но астрономите не се съмняват в тяхната реалност, тъй като е получено огромно количество непреки доказателства за тяхното съществуване, вариращи от наблюдения на близки двойни системи до гравитационни вълни. Въпреки това, преки наблюдения на черните дупки все още не съществуват.Това се дължи най-вече на изключително малкия им размер и голямата им отдалеченост. Например силуетът на свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път се оценява като видима под ъгъл от около 10 микро дъгови секунди. Някои сравняват видимостта ѝ с топка за тенис на Луната.

Има и допълнителни усложнения. Близки до черната дупка обекти могат да попречат на наблюденията и сигналът, разпространяващ се през космическата среда, ще бъде абсорбиран или разпръснат, изкривявайки образа.

Въпреки това, учените отдавна се питат как може да изглежда една черна дупка - по-скоро гравитационната ѝ сянка на обект с екстремни свойства, около който трябва да има необичайни явления.

Привличането на черната дупка значително ще деформира траекториите на светлинните лъчи в околността и времето ще тече по друг начин от гледната точка на отдалечен наблюдател. Също така, изучаването на сенките на черните дупки ще ни позволи да изследваме редица фундаментални въпроси, като например точността на прогнозите на теорията на Айнщайн  в случая на такива силни полета, коректността на сегашното разбиране на механизмите за отделянето на енергия в тяхната околност и много други, включително тези, свързани с екзотични теории като червейните дупки.

^{Ефекти на обектива на черната дупка: 1. Светлинните лъчи се огъват към масата. 2. Възникващите фотони са отместват към червено. 3. Светлината се излъчва и усилва в посока на релативистичното движение. Кредит: School of Physics and Astronomy at the University of St Andrews}

Това е първият научно обоснован образ на черна дупка, получен от френския астрофизик Жан-Пиер Люмине (Jean-Pierre Luminet) през 1979 година. Тъй като по дефиниция самата черна дупка не може да бъде източник на светлина, изображението показва сиянието на газа, който се върти около черната дупка и постепенно попада в нея. На мястото на черната дупка е тъмнината - сянката.

^{Жан-Пиер Люмине (Jean-Pierre Luminet). Черна дупка (модел, 1979)}

Но това най-ранно изображение не отразява влиянието на разсейването на междузвездната среда и показва всички дължини на вълните еднакво.

Истинските телескопи регистрират само малка част от електромагнитния спектър. Освен това, инструментите, работещи в различни обхвати, се различават значително един от друг по оптични параметри, като например резолюция. Оказва се, че единственият подходящ инструмент за такива наблюдения е мрежа от радиотелескопи, а най-добрият обект е свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път.

^{Орбити на близко преминаващи звезди около Стрелец А*. Кредит: School of Physics and Astronomy at the University of St Andrews}

Какво е предимството на радиотелескопите в този случай?

Първо, само в случая на дълги вълни, като радиовълните, както и милиметровите и субмилиметровите вълни, сега е възможно напълно да се интегрират инструменти в мрежа или т.нар. интерферометър. Второ, в областта на радиовълните е възможно да се избере честотата, с която галактическият център е сравнително лесно видим без прекомерно разсейване.

Идеята на интерферометъра е, че един и същи обект може да се наблюдава от няколко инструмента, а след това техните данни с фиксирано точно време на наблюденията се събират и обработват съвместно. Провеждайки  много такива сеанси при различни разстояния между приемащите телескопи, е възможно да се състави точно изображение на обект с такава ъглова разделителна способност, като че ли се наблюдава с инструмент с размер, равен на максималното разстояние между приемниците.

^{Разположение на отделните радиотелескопи, образуващи заедно Телескопа на хоризонта на събитията. Кредит: ESO}

Най-големият проект от този тип е Event Horizon Telescope, който е интерферометър, който събира данни от радиотелескопи, разпределени по целия свят.

Какво може да види този комбиниран инструмент?

Съвместните наблюдения трябва да имат резолюция от 15 микросекунди. Диаметърът на самия хоризонт на събитията на Sgr A * е 10 микросекунди, но излъчването не трябва да бъде от област с размер примерно около 37 микросекунди, тъй като няма стабилни орбити толкова близо до черната дупка, тъй като цялата материя от такова разстояние би трябвало бързо да се погълне от нея. Следователно очакваме да видим липса на яркост в центъра на светещо петно - това ще бъде търсената сянка на черната дупка, такава особеност се предсказва само в случай на подобни обекти.

^{Изглед на черна дупка в зависимост от ъгъла между линията на наблюдение и равнината на диска. Кредит: J.-A. Marck, 1989}

Следващият важен аспект е неизвестната геометрична ориентация на газовия диск. Ако неговата равнина е перпендикулярна на зрителната линия, тогава картината трябва да бъде симетрична, а потъмняването в центъра ще бъде най-забележимо.

Ако има различен ъгъл между линията на наблюдение и диска, изображението ще бъде по-сложно, но потенциално по-информативно, тъй като изкривяването на формата на диска ще зависи от гравитацията, което ще позволи да се проверят теоретичните модели. В случай на малък ъгъл между линията на наблюдение и равнината на диска, ефектите, свързани със скоростта на движение на веществото, ще бъдат максимални, което ще доведе до такава голяма асиметрия, при която ще се вижда само ярка точка с форма на полумесец отстрани на позицията на черната дупка.

^{Изглед на черна дупка с джет (струя) в зависимост от ориентацията и с отчитане на разсейването. В лявата колона са данни от симулациите, средната колона е изображение, изкривено от разсейване, дясната колона е предсказаният вид на изображението, реконструиран с помощта на наблюденията на  Event Horizon Telescope. Кредит: 
F. F. Vincent et al., Astronomy & Astrophysics, 2019}

Друг неизвестен параметър е скоростта на падането на материята в черна дупка в центъра на Галактиката. Има оценки от тази величина, но много неточни. В същото време тя определя степента на активност на обекта и по-специално е свързана с възможното наличие на джетове - тесни струи материя, движещи се от черната дупка перпендикулярно на равнината на диска с висока скорост. Такива структури добавят значителна асиметрия в разпределението на яркостта.

^{Компютърни симулации на възможен изглед на черна дупка. От ляво на дясно: черна дупка с диск в равнината на картината без отчитане на разсейването и с него, черна дупка с равнина на диска, успоредна на зрителната линия без и с разсейване. Кредит: H. Falcke et al. / Classical and Quantum Gravity, 2013}

Не трябва да се забравя за разсейването в междузвездната среда. Event Horizon Telescope наблюдава в най-благоприятната зона на субмилиметровите вълни, но между нас и центъра на Млечния път има облаци от прах и газ, които забележимо ще размият изображението и ще го направят по-неясно като скрият детайлите. Астрономите са добре запознати с този проблем и могат частично да го преодолеят, т.е. да подобрят качеството на данните, отчитайки при обработката параметрите на междузвездната среда, известни от други измервания и изкривяването, което тя създава. Но въпреки това няма да може да се премахне напълно този ефект.

Във всеки случай, няма да видим картина, подобна на тази, показана във филма Interstellar - в него умишлено не се вземат предвид някои физически ефекти.

^{Черната дупка Гаргантюа. (Paramount Pictures)}

За филма Interstellar от 2014 г. на Кристофър Нолан се говореше, че е показал „научно точно” изображение на черна дупка. Бе впечатляващо със сигурност, но според Люмине и Торн, една черна дупка не изглежда точно така.

^{Симулация на черна дупка от статията на Торн и екипа му за CG техники, използвани за разработването на Гаргантюа. (James et al./Classical and Quantum Gravity)}

Какво искат да разберат учените от това изследване?

Първо, то ще ни позволи да тестваме Общата теория на относителността и да получим най-прякото доказателство за съществуването на черни дупки.

Второ, учените искат по-добре да разберат какви са свойствата на акреционните дискове от падащо вещество, джетовете, и защо някои черни дупки са центрове на колосални източници на радиация, докато други, включително Стрелец А *, се държат много спокойно. 

Трето, бъдещите по-детайлни наблюдения ще помогнат да се проверят екзотични хипотези като хипотезата за червейните дупки. В този случай, в центъра на изображенията, където в класическия случай трябва да е тъмнината на хоризонта на събитията, може да се види "нещо" от другата страна на тунела в пространство-времето.

Още по темата

01/04/2019

Космос

Астрономи от цял свят ще обявят важна новина за черната дупка на Млечния път (видео)

29/01/2019

Физика

Нова симулация показва бягството на плазма от черна дупка

22/11/2018

Космос

Да минем през черна дупка - полет във VR-симулатор (видео)

21/09/2018

Космос

Ще пътуваме ли в космоса през червейни дупки? Не, няма как да стане (видео)