Первое фото черной дыры. Насколько это важно для науки и почему ничего бы не удалось без 29-летней девушки

В среду, 10 апреля, международная группа астрофизиков представила первую в истории фотографию черной дыры, а точнее – ее горизонта события. Изображение дыры в центре галактики M87 в созвездии Девы – результат нескольких лет обработки данных, полученных радиотелескопами по всей планете. Рассказываем подробнее, что изображено на снимке и почему он так важен для научного мира.

Первое фото черной дыры

Сенсационное заявление сделали европейские ученые: им удалось впервые сделать фотографию черной дыры – сверхмассивного коллапсара в далекой галактике Messier 87, находящейся в скоплении Девы. Снимок был получен с помощью проекта Event Horizon Telescope [Телескоп горизонта событий – ред.], который запустился в 2012 году.

Отметим, цвета на изображении – условные. Их можно было сделать зелеными, желтыми или розовыми, поскольку исходное изображение с телескопов получается монохромным. Но цвета здесь не главное, самое важное – внутренняя черная часть дыры.

Расстояние до нее – 53 млн световых лет, или более 500 квинтиллионов [500 миллионов триллионов] километров. Чтобы ее сфотографировать, потребовалась сеть из восьми телескопов, расположенных на разных континентах.

"То, что мы видим – больше по размеру, чем вся наша Солнечная система. Масса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз. Это одна из самых массивных черных дыр, которые в принципе могут существовать. Абсолютный монстр, чемпион Вселенной в сверхтяжелом весе", – поясняет в комментарии BBC Хейно Фальке, профессор Университета Неймгена в Нидерландах.

Это настолько важное событие для всего научного мира, что журналистам объявили об этом на пресс-конференции, которую одновременно провели сразу в шести городах: в Брюсселе, Вашингтоне, Сантьяго-де-Чили, Тайбэе, Токио и Шанхае.

Как поясняет Фальке, на фото мы видим идеально круглую черную дыру, окруженную "огненным кольцом" – это устремляющийся в нее горячий газ, разогретый до невероятных температур.

Газ светится так сильно, что затмевает по яркости несколько миллиардов звезд, расположенных в той же галактике. Сама черная окружность – это область внутри горизонта событий, откуда свет вырваться уже не может. Там перестают действовать все привычные нам законы физики.

Что мы знаем о черных дырах

Добро пожаловать, земляне, в место, откуда выхода нет: область в космосе, где гравитационное притяжение настолько сильно, что даже свет не может пройти сквозь нее. Это и есть черная дыра.

Даже Альберт Эйнштейн, чья общая теория относительности позволила представить такое место, подумал, что такая концепция слишком заурядна, чтобы существовать. Но, как пишет The New York Times, Эйнштейн ошибался.  Теперь у нас есть доказательства существования черных дыр.

Черные дыры, если говорить простым языком – это области пространства, обладающие сильным притяжением, из-за которого их не может покинуть свет. Ученые полагают, что они существуют, основываясь на общей теорией относительности.

Эти объекты невидимы и поглощают электромагнитное излучение, поэтому их нельзя обнаружить невооруженным глазом. Исследователи могут только наблюдать за радиацией, электромагнитными волнами и искажениями пространства вокруг черной дыры.

До сих пор все наши представления о черных дырах были исключительно теоретическими. Само их реальное существование было лишь научной гипотезой, но астрономы практически не сомневались в их реальности, так как было получено огромное количество косвенных свидетельств их существования.

Первое научно обоснованное изображение черной дыры получил французский астрофизик Жан-Пьер Люмине [Jean-Pierre Luminet] в 1979 году. Поскольку сама черная дыра по определению не может быть источником света, на изображении показано свечение газа, вращающегося вокруг черной дыры и постепенно падающего в нее – аккреционного диска. Картинка была сделана при помощи математических выкладок на компьютере IBM 7040.

Но наиболее распространенным в массовой культуре изображением черной дыры, до появления реального фото, являлся образ Гаргантюа в фильме "Интерстеллар", за научную достоверность которого отвечал известный американский астрофизик Кип Торн.

Еще мы знаем, что черные дыры могут "петь". Когда материя пересекает горизонт событий, раздается булькающий звук – преобразование энергии движения в звуковые волны. Так, в 2003-году в космической рентгеновской обсерватории Чандра астрономы поймали звуковые волны от сверхмассивной черной дыры на расстоянии 250 миллионов световых лет.

Как получили фото

Отметим, что на фото не сама черная дыра, а ее "внешняя оболочка" – точка невозврата, также известная как горизонт событий. Так называется область пространства-времени, внутри которой гравитация черной дыры уже не дает вырваться наружу никакой информации, но снаружи у лучей еще есть возможность избежать притяжения.

Уловить и сфотографировать эти лучи – прошедшие по самому краю горизонта событий, но не поглощенные черной дырой – на протяжении многих лет пытался проект Event Horizon Telescope [EHT]. Это сложная сеть радиотелескопов, работающих в миллиметровом диапазоне, раскиданных по всему миру.

Ключевым моментом было появление в 2013 году системы телескопов ALMA в Чили – это ядро "Телескопа горизонта событий". Объединение большого количества телескопов от Антарктиды до Гренландии и возможность совместной обработки данных, и позволили получить фото.

Так, ЕНТ смог разглядеть тень сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87, также называемой Дева A. Данные с телескопов обрабатывали почти два года. Наблюдения на EHT основывались на применении методики интерферометрии со сверхдлинной базой [VLBI], которая предполагает синхронизацию всех телескопов всемирной сети.

"Когда мы убедились, что действительно получили изображение тени, мы сравнили наши результаты с обширной коллекцией компьютерных моделей, отражающих физические особенности искривленного пространства, нагретого до сверхвысоких температур вещества и сильных магнитных полей. Многие свойства полученного изображения неожиданно соответствуют нашим теоретическим представлениям”, – отмечает Пол Хо [Paul T.P. Ho], член Научного Комитета EHT.

Алгоритм Кэти Боумен

В общем и целом над получением фото черной дыры работала международная группа из более 200 ученых. И одним из важнейших участников команды стала Кэти Боумен [Katie Bouman] – 29-летняя девушка, разработавшая алгоритм для визуализации данных с телескопов, входящих в сеть ЕНТ.

Как пишет The Time, за несколько часов Боумен стала героиней пользователей соцсетей и "лицом" исторического события. А ученые признают, что без нее первое фото черной дыры могло бы и не получиться.

В 2016 году Кэти училась в аспирантуре Массачусетского технологического института [MIT] – она изучала компьютерные науки и искусственный интеллект. В том же году Боумен разработала первую версию алгоритма, который бы превратил данные с разных телескопов в один снимок.

Год спустя телескопы собрали миллионы гигабайт данных о черной дыре. Информации было так много, что их отправили в MIT на нескольких сотнях жестких дисков и следующие два года Боумен возглавляла команду, обрабатывавшую всю информацию.

Так, после презентации исторического снимка, фото довольной Боумен, увидевшей результат своей работы, стало вирусным. Ее сравнили с американской ученой Маргарет Гамильтон, которая руководила разработкой программного обеспечения для космической программы "Аполлон".

Но Кэти Боумен – лишь часть огромной группы людей, трудившихся над первым фото черной дыры. И она не выделяет себя на фоне остальной команды ученых и астрофизиков.

"Для получения изображения потребовался удивительный талант команды ученых со всего мира и годы напряженной работы […] Это огромная честь и мне очень повезло работать со всеми вами", – написала Боумен на своей странице в Facebook.

Осенью 2019 года начинается следующий этап ее жизни – девушку пригласили преподавать в Калифорнийском технологическом институте.

Что дальше?

В пределах досягаемости "Телескопа горизонта событий" есть еще одна черная дыра – Стрелец A* – она расположена в центре нашей галактики Млечный Путь. Расстояние до нее составляет примерно 26 тысяч световых лет, а до M87, фото, которой было получено – 53 миллиона.

Как ни странно, сделать этот снимок намного сложнее, чем сфотографировать черную дыру в далекой галактике, поскольку "огненное кольцо" в центре Млечного пути меньшего размера и не такое яркое. Но можно предполагать, что, скорее всего, фото черной дыры в нашей галактике, тоже скоро покажут.