Стрелец A* и M87*: такие похожие и в то же время такие разные, почему?
В 2019 году коллаборация EHT представила первое в истории изображение черной дыры: M87* в галактике M87. Сейчас на дворе 2022 год, и у нас есть второе изображение, изображение "нашего" Стрельца А*. На первый взгляд они выглядят одинаково, однако между ними есть существенные различия. Тем не менее обе эти черные дыры характеризуются очень благоприятными условиями для изучения и научных исследований.
Черные дыры - настолько инопланетные объекты, что даже Альберту Эйнштейну было трудно убедить себя в их существовании. Их гравитационное притяжение настолько сильно, что даже свет не может вырваться из них, поэтому их невозможно увидеть. Единственный способ, с помощью которого астрономы смогли сфотографировать черные дыры, — это использование радиотелескопов, которые регистрируют электромагнитные волны, излучаемые газом, вращающимся вокруг черной дыры.
В 2019 году все научное сообщество встретило с улыбкой первое в истории изображение черной дыры. Это была M87*, сверхмассивная черная дыра в центральном ядре галактики M87 на расстоянии более 50 миллионов световых лет от Земли. Сейчас на дворе 2022 год, и коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) представила второе изображение этого типа объектов - черных дыр. На этот раз это был Стрелец А*, в пульсирующем сердце нашего Млечного Пути.
Если посмотреть на снимки, выпущенные EHT Collaboration, то сразу бросается в глаза сходство между ними. В обоих случаях очень яркое оранжевое кольцо с более светлыми пятнами и другими более красными областями окружает центральную черную тень. M87* и Стрелец A* выглядят очень размытыми, неопределенными, как будто потускневшими. Они выглядят одинаково, но при этом не имеют большего различия.
В любом случае, сфотографировать их обоих остается беспрецедентным событием. Ферьял Озель, член Научного совета EHT и профессор астрономии и физики в обсерватории Стюарда, говорит: "Мы видим кольцо света, окружающее полную тьму, явный признак черной дыры. Мы смотрим прямо в точку невозврата".
В 2000 году Озель опубликовал исследование вместе с Димитриосом Псалтисом, профессором астрономии и физики из Аризоны и главным исследователем международного проекта Black Hole PIRE. В этой и последующей статье, опубликованной в 2001 году, исследователи идентифицировали M87* и Стрелец А* как две идеальные черные дыры, давшие возможность быть сфотографированными. Это способствовало закладке основы для обсерватории размером с Землю, которая теперь называется Event Horizon Telescope.
Можно сказать, что обе дыры являются "Златовласками черных дыр", — сказал Озел. "Их окружение идеально, и поэтому мы можем их видеть". Для таких астрофизиков, как Озель и Псалтис, черные дыры являются естественными лабораториями, которые позволяют им проверить общую относительность. Они могут даже приблизить их к теории, объединяющей гравитацию с квантовой механикой - дилемме, которая до сих пор не решена.
Почти идентичные, но совершенно разные черные дыры
M87* в 1 500 раз массивнее, но в 2 000 раз удаленнее, чем Стрелец A*. Поэтому на небе они кажутся примерно одинакового размера. Но хотя они выглядят почти одинаково, на самом деле они совершенно разные.
Масса M87* составляет 6 миллиардов Солнц, а ее размеры гигантские. Вся наша Солнечная система поместилась бы в горизонте событий - точке невозврата черной дыры. Стрелец A*, расположенная всего в 25 000 световых лет от Земли, значительно меньше. Имея массу всего 4 миллиона солнечных масс, она достаточно мала, чтобы вписаться в орбиту Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты. Если бы эти две черные дыры были помещены в объектив фотоаппарата, то M87* заполнила бы весь снимок, а Стрелец A* исчезла бы совсем.
Черные дыры, реагирующие только на гравитацию
Законы масштаба в природе диктуют, что когда два объекта имеют очень разные размеры, они обычно выглядят по-разному друг от друга. Черные дыры, напротив, масштабируются, не меняя своего внешнего вида.
Их абсолютная простота - вот что делает два изображения Стрелец A* и M87* такими важными. Фактически, они подтверждают то, что до сих пор было предсказано только теорией: похоже, что они являются единственными существующими объектами, которые подчиняются только одному закону природы - гравитации.
"Тот факт, что свет выглядит как кольцо с черной тенью внутри, говорит о том, что это исключительно гравитация", — сказал Димитриос Псалтис. "Все это предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, единственной теорией в космосе, которая не заботится о масштабах". Теория, которая говорит нам о компактных, очень массивных объектах, танцующих в космосе, искривляющих пространственное время и вызывающих огромные гравитационные волны.
Если бы ученые могли сделать снимок действительно маленькой черной дыры массой около 10 солнечных масс и сравнить его с M87* и Стрелец A*, они бы всегда видели красный "пончик" с темным ореолом в центре - тенью черной дыры. "Куда бы мы ни посмотрели, мы должны видеть "пончики". И они всегда должны выглядеть более или менее одинаково", — сказал Псалтис.
На данный момент EHT не смогла достичь резолюции, которая позволила бы сделать такой снимок. Однако в настоящее время проводится множество усовершенствований и строится множество самых современных телескопов. Например, Square Kilometre Array в Южной Африке и Австралии, что станет крупнейшей в мире сетью радиотелескопов.
На протяжении многих лет сотрудничество EHT также интересовалось тем, как черные дыры меняются со временем. Если мы посмотрим на черную дыру в два разных дня или в два разных года, как она изменится? Сколько излучения она будет испускать на разных длинах волн? Что мы можем предсказать о ней, и как мы можем использовать наши наблюдения для понимания окрестностей черной дыры?