На ній зображено «тінь» чорної діри — результат кількарічної роботи найпотужніших телескопів світу й обробки сотень терабайтів наукових даних.
Існування чорних дір ще 1916 року теоретично передбачив Карл Шварцшильд, розв’язавши рівняння загальної теорії відносності Айнштайна для сферично симетричного тіла. Для того щоб об’єкт покинув назавжди Землю, йому потрібно надати швидкість 11,2 км/с, так звану другу космічну. Вона залежить від маси планети та її радіуса. Якщо Землю стиснути до кулі розміром із вишеньку, то друга космічна швидкість для неї перевищить швидкість світла й покинути те, що залишиться від планети, стане неможливо. Земля перетвориться на чорну діру. Насправді чорними дірами стають надмасивні зірки з масою ядра, що перевищує щонайменше три Сонця. Землі, як і нашій зірці, такий кінець не загрожує. У центрі галактик розташовані справжні чудовиська — чорні діри з масами понад мільйони та мільярди сонячних, вони розривають зірки, які трапляються поряд. Ці чудовиська утворилися з міжзоряного пилу ще під час формування галактик.
Читайте також: Харківські нейтрони, екзогалактичні планети та клоновані мавпи
Хоча чорні діри й вважаються звичними космічними об’єктами, а також є найсміливішими передбаченнями з теорії Айнштайна, прямих доказів їхнього існування немає. Адже не можна безпосередньо спостерігати те, що не випускає світло назовні. Зате є чимало опосередкованих свідчень. Ситуація схожа на атомну теорію початку XX століття, коли мало хто з науковців сумнівався в існуванні атомів, хоча це довів лише 1908 року Жан Перен. До речі, і тут не обійшлося без Айнштайна: Перен зумів експериментально перевірити його теорію щодо броунівського руху.
У 2015-му експеримент LIGO детектував гравітаційні хвилі — ще одне з передбачень теорії відносності. Масивні тіла викривляють простір-час, а інші об’єкти «відчувають» це викривлення. Таким чином реалізується гравітаційна взаємодія. Якщо ж два масивні об’єкти, як-от чорні діри, обертаються навколо спільного центра мас, простір-час розходиться від них «хвилями». Усе, що перпендикулярне поширенню хвиль, трішки подовжуватиметься й скорочуватиметься. Ефект у сотні разів менший за розмір атомного ядра, тому знадобилося майже 100 років, щоб розвиток технологій дав змогу вловити гравітаційні хвилі. Згідно з розрахунками перші задетектовані хвилі утворилися внаслідок злиття двох масивних чорних дір сумарною масою більшою за 65 сонячних. Жодні об’єкти у Всесвіті, окрім чорних дір, не могли утворити таких хвиль, і результат LIGO вперше майже напряму підтвердив їхнє існування.
Власне, з погляду теорії відносності, чорні діри — це глибокі провалля в просторі-часі, що закінчуються сингулярністю. Саме слово «сингулярність» часто з’являється у фантастиці, збуджуючи уяву письменників чи сценаристів. Матерія в цій точці сягає такої густини, що відомі закони фізики до неї вже неможливо застосувати. За деякими теоріями, сингулярність — це зім’ятий простір-час. Інші теорії пояснюють це як прорив простору-часу. Найекстравагантніші з них описують кротові нори, нібито чорна діра насправді є тунелем в іншу частину Всесвіту.
Читайте також: Реформа науки. З багатьма невідомими
Іншим важливим свідченням їхнього існування стала нещодавня фотографія. Що ми взагалі бачимо на ній? Чорна діра міститься в галактиці M87, у сузір’ї Діви, на відстані 53 млн світлових років і важить у 6,5 млрд разів більше за Сонце. Радіус Шварцшильда, тобто відстань від діри, із якої вже жодна частинка не може вилетіти, дорівнює приблизно 10 млрд км — у два рази більше, ніж відстань від Сонця до Нептуна. Навколо діри обертається акреційний диск із плазми та фотонів, що потроху поглинаються нею. Вони утворюють фотонну сферу. Коли промінь світла проходить по дотичній трохи далі від сфери, він іде собі далі. Якщо ближче до чорної діри — фотони поглинаються. І от викривлене зображення фотонної сфери ми й бачимо на світлині. Через сильне викривлення простору-часу промені світла, що проходять поряд із дірою, вигинатимуться і розмір яскравої фотонної сфери здасться більшим за реальний.
Попри назву, чорні діри можуть бути одними з найяскравіших об’єктів у Всесвіті. 1974-го радянські астрофізики Ніколай Шакура та Рашид Сюняєв висунули припущення щодо існування акреційних дисків. Якщо діра перебуває поряд із зіркою, то вона захоплюватиме плазму. Остання, закручуючись по спіралі, повільно падатиме в безодню та розігріватиметься до мільйонів градусів через тертя. Із деяких дисків вириваються струмені плазми — релятивістські джети, які можуть бути яскравіші за цілі галактики й у довжину сягати мільйонів світлових років. Чорна діра М87 характеризується таким джетом. Його нахил відносно спостерігачів із Землі 17 градусів, він перпендикулярний площині акреційного диска діри, завдяки чому легко встановити, під яким кутом видно діру на світлині.
Фотографія, представлена EHT, насправді є комбінацією результатів чотирьох днів спостережень. Нижня частина яскравіша, адже диск повернутий до нас на невеликий кут, і завдяки його обертанню вона наближається до нас, а верхня частина віддаляється.
Для отримання зображення використовувалася система із восьми телескопів. Видимий розмір діри становить близько 20 кутових мілісекунд (кутова секунда — це 1/3600 градуса). Жоден телескоп не впорався б із таким завданням: це все одно що розгледіти пилинку на поверхні Місяця. Кожен телескоп характеризується дифракційною межею розподільної здатності. Формула проста: довжина хвилі, на якій ведеться спостереження, ділиться на розмір телескопа або ж на базу, відстань між телескопами, що працюють у парі. Діру спостерігали на довжині хвилі 1,3 мм, вона погано поглинається речовиною акреційного диска. Завдяки комбінації телескопів в Антарктиді, Чилі, Мексиці, США розмір бази телескопа дорівнював діаметру Землі. Спостереження проводили протягом чотирьох квітневих днів у 2017-му, кожен із телескопів створив 350 терабайтів даних, і їхня обробка тривала два роки.
Реальний масштаб. Фотонна сфера здається більшою через викривлення траєкторії світла, що називають тінню чорної діри
Так як у роботі було використано два телескопи на Гаваях, діру M87 вирішили назвати Powehi. Із гавайської це перекладається як «неосяжна порожнеча» — назва походить із міфів про створення світу.
Кластер телескопів одночасно спостерігав і за Стрільцем А* — надмасивною чорною дірою в центрі нашої галактики. Порівняно з М87 вона просто карликова: «лише» 4 млн сонячних мас. Проте розташована на відстані 26 тис. світлових років і має той самий кутовий розмір. Цілком можливо, що через рік, коли закінчиться обробка даних, ми отримаємо ще одну світлину безодні.
Читайте також: Позбавлені грунту. Чому Україна відстає в інноваціях
Великий внесок в обробку даних зробила Кетрін Боумен — молода американська науковиця, PhD із комп’ютерних наук, яка й придумала алгоритм для створення зображення. Дівчина стала зіркою, а фотографію, на якій вона сидить поряд із десятками жорстких дисків із даними по проекту, порівняли зі світлиною Марґарет Гамільтон поряд із паперами з написаним кодом для космічної програми «Аполлон». При цьому Боумен стала жертвою харасменту: недоброзичливці принижували її роль у проекті й намагалися виставити все так, ніби вона привласнює всі здобутки собі. Тоді як сама дівчина не раз наголошувала, що все стало можливим лише завдяки роботі великої команди.
Команді EHT також вдалося змоделювати потоки речовини, що падають на діру, і зіставити їх із реальністю; точно виміряти масу M87 (до того оцінки давали результати, що відрізняються вдвічі); зробити оцінку швидкості обертання діри; розробити алгоритми для обробки величезних масивів інформації. Та важливим результатом стало й інше. Мало який науковий проект дістає стільки відгуків від далеких від науки людей. Фотографії чорної діри заповнили стрічки соцмереж і стали об’єктами для фотоколажів. Powehi з наукової швидко перетворилася на культурну подію. Рідко коли результати плідної наукової роботи можуть бути представлені широкій публіці так наочно. А саме вона зі своїх податків і спонсорує науку.