Черная дыра галактики M87: портрет в интерьере

Рис. 1. «Портрет» сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики M87, полученный участниками коллаборации Event Horizon Telescope на основе наблюдений, проводившихся в апреле 2017 года на длине волны 1,3 мм. Светящееся кольцо — излучение от аккреционного диска вокруг черной дыры, «тень» от которой мы видим как темное пятно в центре. Отсутствие светлой полосы, пересекающей область «тени» (которая, например, показана в кадрах с черной дырой Гаргантюа в фильме «Интерстеллар»), объясняется тем, что плоскость аккреционного диска почти перпендикулярна лучу зрения. Изображение с сайта nature.com

В серии статей, опубликованных сотрудниками коллаборации Event Horizon Telescope, продемонстрирован первый «портрет» сверхмассивной черной дыры, располагающейся в центре относительно недалекой эллиптической галактики М87, а также подробно описано, как это изображение было получено. Хотя эту работу нельзя назвать грандиозным прорывом, она еще раз подтверждает, что наши представления об устройстве Вселенной — в первую очередь речь идет об общей теории относительности — неплохо согласуются с реальностью: астрономы увидели ровно то, что ожидали.

В среду 10 апреля в нескольких странах в одно и то же время прошли шесть заранее объявленных пресс-конференций участников международной научной коллаборации Event Horizon Telescope (EHT). Коллаборация была основана в 2014 году по инициативе астрофизиков Хейно Фальке (Heino Falcke) из Университета Неймегена, Серы Маркофф (Sera Markoff) из Астрономического института Амстердамского университета, их гарвардского коллеги и нынешнего директора проекта Шеперда Дулемана (Sheperd Doeleman), научного сотрудника Обсерватории имени Стьюарда при Аризонском университете Дэна Марроне (Dan Marrone) и других исследователей из разных стран. За пять лет она значительно расширилась и насчитывает более двухсот участников.

Коллаборацию EHT создали для получения детальной радиоастрономической информации о сверхмассивных черных дырах, скрытых в центральных зонах большинства галактик. Сейчас в этом проекте задействованы одиннадцать обсерваторий на разных континентах. В первой половине апреля 2017 года EHT произвела мониторинг компактного радиоисточника Стрелец А* (Sgr A*) в центре нашей Галактики, который представляет собой черную дыру с массой около 4 миллионов солнечных масс, и ядра гигантской эллиптической галактики М87 из созвездия Девы, где находится черная дыра с массой в несколько миллиардов масс Солнца.

Ровно через два года члены коллаборации обнародовали финальные результаты анализа наблюдений галактики М87. В частности, они представили широкой общественности эффектное изображение «тени» черной дыры в ее центре (рис. 1). Одновременно с этим Astrophysical Journal Letters выложил в открытый доступ шесть статей, содержащих полученные данные и описание методов их обработки (ссылки на статьи можно найти в кратком резюме Ш. Дулемана, предваряющем публикацию результатов). В первой из этих статей (The Event Horizon Telescope Collaboration, 2019. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of Supermassive Black Hole) представлены ключевые итоги наблюдений этой дыры 5, 6, 10 и 11 апреля 2017 года. Они включают несколько графических реконструкций ее тени, полученных с помощью специально адаптированных алгоритмов. Остальные статьи посвящены техническим деталям проекта и анализу теоретических моделей, которыми пользовались для анализа полученных результатов. Отчет о мониторинге черной дыры из центра Млечного Пути будет обнародован позже.

На пресс-конференции в Вашингтоне, которую я смотрел в онлайне, одному из докладчиков задали вопрос: приведут ли полученные результаты к прогрессу в исследовании темной материи и решении прочих основных вопросов науки о Вселенной? Ответ был однозначно отрицательным, и с этим не поспоришь. Эти результаты — триумф не только новейших методов радиоастрономических наблюдений и анализа информации, но и социальной и информационной организации крупномасштабных исследовательких проектов. Однако они практически ничем не обогатили (точнее, пока не обогатили) наше понимание основ физики Космоса (и вообще фундаментальной физики). Опубликованные изображения отнюдь не стали долгожданным доказательством существования черных дыр — оно давно не подвергается сомнениям. Члены коллаборации EHT получили именно то, что и намеревались получить с самого начала (вернее, — то, что было предсказано общей теорией относительности, физикой релятивистской плазмы, радиофизикой и другими релевантными областями научного знания). Это обстоятельство, конечно, ни в коей мере не снижает значительности их трудов и достижений. И можно не сомневаться, что развитие проекта EHT обещает множество ценнейших результатов — возможно, совершенно неожиданных. Новые исследовательские технологии всегда расширяют горизонты науки.

Однако начнем с начала. Простейшая черная дыра — это физическое воплощение исторически первого точного решения уравнений ОТО, которое описывает поле тяготения точечной массы. В 1916 году его получил немецкий астроном Карл Шварцшильд (см. Метрика Карла Шварцшильда: предыстория, история и часть постистории, «Элементы», 29.02.2016).

Шварцшильдовская черная дыра характеризуется всего одним параметром — массой. Она могла бы образоваться в результате гравитационного коллапса невращающейся массивной звезды. Таких звезд практически не бывает, поэтому реальные постколлаптические черные дыры обладают еще и угловым моментом. В рамках ОТО метрику пространства-времени вблизи таких дыр вычислил новозеландский математик Рой Керр в 1963 году (см. Kerr metric). Она во многих отношениях сложнее метрики Шварцшильда. Сверхмассивные черные дыры, которые возникают в результате слияния дыр меньшей массы и поглощения вещества из окружающего пространства, также обладают угловыми моментами.

Следует отметить, что такие слияния происходят (хотя и чрезвычайно редко) и в нашу эпоху благодаря столкновениям галактик. Например, в сентябре 2017 года появилось сообщение (P. Kharb et al., 2017. A candidate sub-parsec binary black hole in the Seyfert galaxy NGC 7674), что в центре открытой в 1830 году спиральной галактики NGC 7674 в созвездии Пегаса, отдаленной от Млечного пути на 400 миллионов световых лет, имеются две черные дыры общей массой 40 миллионов солнечных. Они обращаются вокруг общего центра на расстоянии в один световой год друг от друга, совершая один оборот за 100 тысяч лет. Это свидетельствует о том, что NGC 7674 возникла в ходе столкновения двух галактик-предшественниц. Со временем эти дыры сольются в одну черную дыру, объединив и массы, и угловые моменты (см. также Двойная черная дыра в галактике NGC 1128).

Черная дыра — это не вещество и не излучение. Можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени. Ее внешняя граница задается замкнутой поверхностью, которая называется горизонтом событий. Для шварцшильдовской дыры горизонт — это правильная сфера, а у дыры Керра она сплюснута у полюсов.

Физический смысл горизонта очень нагляден. Световой сигнал, посланный с его внешней окрестности, еще может (правда, не всегда) уйти на бесконечно далекую дистанцию. А вот сигналы, отправленные из внутренней области, обречены там и оставаться. Горизонт — это пространственная граница между событиями, которые могут стать известными внешним наблюдателям, и событиями, информация о которых ни при каком раскладе не выйдет наружу.

А теперь самое главное. Метрика искривленного пространства-времени вне горизонта черной дыры определяет как движение материальных тел, так и распространение электромагнитных волн. Поэтому ее можно изучать, наблюдая за орбитами этих тел и путями световых лучей в окрестности дыры. Такие наблюдения, в частности, позволяют отследить и горизонт событий. Именно это и сделали участники коллаборации EHT.

Очень далеко от горизонта тяготение дыры практически не искажает псевдоевклидову метрику пространства-времени, предписанную специальной теорией относительности. Однако при приближении к дыре начинаются сюрпризы. Допустим, что где-то в пространстве находится наблюдатель с лазерным излучателем, генерирующим остронаправленный луч света. Если он расположен далеко от дыры (расстояние до нее многократно превышает поперечник горизонта), то испущенный луч уйдет в бесконечность по прямому пути в любых направлениях, за исключением тех, что лежат внутри телесного угла, под которым наблюдатель видел бы горизонт, если бы тот был твердым телом. При приближении наблюдателя к горизонту этот угол расширяется за его пределы и в конце концов охватывает все пространство. Это означает, что фотоны, испущенные поблизости от горизонта, либо уйдут на бесконечность по заметно искривленному пути, либо поглотятся дырой. В этом и проявляется одна из главных особенностей искривленного пространства-времени вокруг черной дыры.

Рассмотрим сначала шварцшильдовскую метрику. Любому фотону, испущенному с большой дистанции в направлении дыры, можно сопоставить его прицельный параметр, то есть, минимальное расстояние, на которое фотон приблизился бы к ее центру, если бы двигался строго по прямой в евклидовом пространстве. Если прицельный параметр превысит \(\sqrt{27}R_s/2\) (то есть приблизительно \(2{,}6R_s\), где \(R_s\) — радиус горизонта событий), фотон сможет избежать гравитационного плена (правда, если превышение не особенно велико, его путь к бесконечности окажется далек от прямой линии). В обратной ситуации фотон пересечет горизонт событий и угодит и черную дыру. Наконец, в случае строгого равенства этих величин фотон станет временным спутником дыры, обращаясь вокруг нее по нестабильной круговой орбите. Поэтому величину \(\sqrt{27}R_s/2\) называют радиусом поглощения фотонов. Столь простой формулой он задается лишь для метрики Шварцшильда. В случае керровской метрики радиус фотонного поглощения связан с горизонтом событий более сложным образом. Однако для реальных сверхмассивных дыр в центрах галактик поглощение фотонов отличается от случая шварцшильдовской метрики всего на несколько процентов.

Таким образом, для «прощупывания» черной дыры надо иметь в ее окрестности изобилие фотонов, часть которых после всех положенных дорожных искривлений достигает нашей планеты. К счастью для астрофизиков, природа легко решила эту проблему. Многие сверхмассивные дыры окружены кольцами горячей плазмы — так называемыми аккреционными дисками. В соответствии с законами электродинамики, они генерируют мощное синхротронное излучение. Нередко из плазменного окружения дыры выбрасываются релятивистские джеты — потоки заряженных частиц, движущиеся с субсветовой скоростью, и они служат еще одним источником фотонов.

Плазменное окружение внутригалактических черных дыр излучает свет различных частот — от радиоволн до рентгена. Суммарная мощность этого излучения варьирует от 10⁴² до 10⁴⁸ эрг/сек. Для сравнения: полная светимость звездного населения типичной галактики составляет 10⁴⁴ эрг/сек.

Всё сказанное означает, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик можно исследовать как с помощью радиотелескопов, так и посредством инфракрасной, оптической и рентгеновской аппаратуры. Интересно, что ожидаемый результат давно известен. Еще в 1979 году французский астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) показал, что для отдаленного наблюдателя поверхность поглощения фотонов должна выглядеть тонким светящимся кольцом (причем, асимметричным — с участками различной яркости), расположенным внутри аккреционного диска (рис. 2, J.-P. Luminet, 1979. Image of a spherical black hole with thin accretion disk). Это кольцо сформировано из фотонов, которым удалось покинуть круговую (напомню, нестабильную!) орбиту вокруг дыры и уйти в пространство. Искривление световых лучей вблизи горизонта приводит к появлению внутри кольца более или менее сферического темного пятна — «тени» черной дыры. Именно эта структура и видна на снимке, обнародованном 10 апреля.

Рис. 2. Симуляция внешнего вида черной дыры и окружающего ее аккреционного диска, выполненная в 1979 году Ж.-П. Люмине. Удивительно, что она почти во всех деталях совпадает с более поздними симуляциями и, как мы теперь узнали, хорошо согласуется с тем, что получила коллаборация EHT. Изображение с сайта dailymail.co.uk

И она весьма информативна. Теория указывает, что радиус кольца пропорционален радиусу поглощения фотонов, который в первую очередь зависит от массы черной дыры. Это позволяет достаточно точно оценить массу дыры. Именно это и проделали участники коллаборации EHT. Согласно их заключению, она в 6,5 ± 0,7 миллиардов раз превышает массу Солнца.

Конечно, опубликованное изображение окрестностей черной дыры, — не настоящая фотография, а результат компьютерной реконструкции на основе информации, полученной от системы радиотелескопов (рис. 3). Участники коллаборации EHT вели наблюдения на волне длиной 1,3 мм в восьми обсерваториях, расположенных в Чили (APEX и ALMA), на Гавайских островах (SMA и JCMT), в Мексике (LMT), Испании (PV), в Аризоне (SMT) и на Южном полюсе (SPT). Эти инструменты образовали интерферометрическую систему со сверхдлинной базой (Very Long Base Interferometry), которая обеспечила угловое разрешение в 20 микросекунд (естественно, дуговых). Этого оказалось достаточно и для реконструкции изображения тени черной дыры и ее плазменного окружения, и для определения ее массы. К слову, вычисленный угловой размер кольца (40–45 дуговых микросекунд) в два с половиной раза превышает раствор угла, под которым объект величиной в 38 миллиардов километров (именно таков диаметр горизонта событий этой дыры) был бы виден на Земле с расстояния в 55 миллионов световых лет, отделяющем нас от галактики М87. Это означает, что и кольцо, и темная тень дыры наблюдаются на Земле с заметным увеличением, которое возникло благодаря сильному изгибанию лучей вблизи горизонта (это так называемый эффект гравитационного линзирования).

Рис. 3. Расположение телескопов, участвовавших в наблюдениях в 2017 году. Сплошными линиями соединены пары телескопов, способных одновременно наблюдать галактику M87. Изображение из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal Letters

Наверное, стоит представить читателю эллиптическое (вернее, почти сферическое) звездное скопление, которое имеет честь содержать ставшую знаменитой дыру. А оно того заслуживает. 18 марта 1771 года астроном французского военно-морского флота Шарль Мессье (Charles Messier) открыл его и занес под 87-м номером в свой знаменитый каталог туманностей и звездных скоплений, опубликованный десятью годами позже. Отсюда и название Мессье 87 — или, сокращенно, М87 (рис. 4).

Рис. 4. Эллиптическая галактика M87 (вверху слева) находится почти в центре скопления Девы и является одной из самых массивных галактик в нем; фото с сайта apod.nasa.gov. Вверху справа — увеличенная центральная часть снимка, на которой хорошо заметен джет, бьющий из центра галактики. Внизу — общий вид центральной части скопления Девы, галактика M87 — это крупное продолговатое пятно чуть ниже и левее центра изображения; изображение с сайта apod.nasa.gov

Эта галактика относится к довольно редкому семейству cD, куда входят особо яркие галактики, которые встречаются лишь неподалеку от центральных областей плотных галактических скоплений (М87 расположена в центре скопления Девы). Ее диаметр приблизительно равен поперечнику диска Млечного Пути, но масса больше на два порядка. Ее ядро проявляет весьма высокую активность, генерируя мощные излучения различных частот, хотя и не дотягивает до уровня квазаров. Из ядра исходит исполинский джет протяженностью порядка пяти тысяч световых лет, который еще в 1918 году заметил Гебер Кертис (Heber Curtis) из принадлежащей Калифорнийскому университету Ликской обсерватории. Кстати, термина «джет» в те времена не существовало, его придумали американские астрономы Вальтер Бааде (Walter Baade) и Рудольф Минковский (Rudolph Minkowski) в 1954 году. В общем, это отнюдь не рядовой обитатель ближних окрестностей нашей Галактики.

Наличие у галактики М87 исполинской черной дыры — давно не новость. Об этом, например, убедительно свидетельствовали результаты выполненного в конце прошлого века спектрального мониторинга потоков ионизированного кислорода в ее центре. Сильное уширение спектральных линий свидетельствовало о том, что в ядре имеется чрезвычайно компактный центр сильнейшего притяжения, практически обязанный быть черной дырой с массой не менее 3 млрд солнечных масс. Десять лет назад астрономы пришли к выводу, что дыра тянет без малого на шесть с половиной миллиардов масс Солнца. Результаты коллаборации EHT его полностью подтвердили.

И последнее. Жан-Пьеру Люмине для симуляции визуального образа черной дыры в середине геометрически тонкого и оптически плотного аккреционного диска потребовались относительно скромные компьютерные ресурсы. Для портретирования реальной черной дыры в аккреционном диске галактики М87 коллаборация EHT использовала петабайтный объем первичной информации. Таковы масштабы современной многоканальной астрономии. А то ли еще будет!

Источники:
1) The Event Horizon Telescope Collaboration. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of Supermassive Black Hole // The Astrophysical Journal Letters. 2019. V. 875. DOI: 10.3847/2041-8213/ab0ec7.
2) Davide Castelvecchi. Black hole pictured for first time — in spectacular detail // Nature. 2019. DOI: 10.1038/d41586-019-01155-0. (Популярный синопсис об обсуждамом исследовании.)

Алексей Левин