Первый снимок черной дыры может примирить теорию относительности и квантовую физику
В среду ночью 120 астрономов из 8 обсерваторий на четырех континентах начали первую попытку сделать фотографию черной дыры. Съёмка началась 5 апреля и продлится до 14 апреля этого года. Объектом наблюдения стали окрестности двух сверхмассивных черных дыры, одна в центре нашего Млечного Пути, другая в соседней галактике Messier 87. Первая близко, но маленькая в диаметре, вторая очень далеко, но громадная. Чью лучше разглядят — пока вопрос. Ближайшая к нам Стрелец A* (Sagittarius A*) находится в центре нашей галактики Млечного Пути на расстояние в 26 тысяч световых лет. Дальняя в 6 миллиардов раз больше массы нашего светила, поэтому горизонт событий вокруг неё больше. Стрелец А* массой в 1,5 тысячи раз меньше и умещается в пространстве, меньшем, чем объем внутри орбиты Меркурия.
В чем важность наблюдения объясняет Гопал Нараянан, профессор-исследователь астрономии в Университете Массачусетса в Амхерсте: «В основе общей теории относительности Эйнштейна лежит представление о том, что квантовая механика и общая теория относительности могут быть объединены, что существует великая, единая теория фундаментальных понятий. Горизонт событий черной дыры — именно то место, где это возможное объединение лучше всего изучать». Результаты мы узнаем только в 2018 году, когда компьютеры обработают полученные данные. В конце поста есть предполагаемое изображение, которое мы должны увидеть, если верна теория Энштейна.
Для наблюдения за горизонтами событий из разрозненных радиотелескопов, рассматривающих каждый свой участок неба, астрономы создали виртуальный радиотелескоп размером с Землю. 8 обсерваторий в 6 территориальных точках ведут съемку. 
В проекте участвуют Обсерватория Массачусетского технологического института (ведущая организация), Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, Объединенная обсерватория ALMA (Чили), Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO), Институт радиоастрономии им. Макса Планка (Германия), Университет Консепсьона (Чили), Институт астрономии и астрофизики имени академика Синицы (ASIAA, Тайвань), Национальная астрономическая обсерватория Японии (NAOJ) и Обсерватория Онсала (Швеция). Объединение радиотелескопов важно для наблюдения быстротекущих процессов во Вселенной, к которым относятся, например, взрывы сверхновых звезд и потоки космического излучения, а также для детальных изучений мелких удаленных космических объектов, таких, как черная дыра Стрелец A*. Возможности наиболее мощных оптических телескопов ограничены при наблюдении даже самых массивных объектов, а черные дыры являются чрезвычайно компактными.
Связывая воедино мощности радиотелескопов, расположенных в разных частях земного шара, ученые астрономы получили возможность рассмотреть крайне далекие космические объекты с четкостью, в два миллиона раз превышающей остроту человеческого зрения. Будь у человека такое зрение он бы увидел лежащие на Луне грейпфрут или компакт-диск.
К запуску этого «виртуального» телескопа под названием Event Horizon Telescope привело развитие технологий интерферометрии с длинной базой (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) в течение последних двадцати лет. По этой же модели работает крупнейший миллиметровый радиотелескоп мира — обсерватория Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) на высокогорном плато Чахнантор в Чили и он тоже участвует в проекте. В проекте EHT с 5 по 14 апреля VLBI-технология превращает все подключенные к ней телескопы в огромный телескоп, размером с нашу планету. Были объединены мощности самых чувствительных радио-обсерваторий мира в Чили, Испании, Калифорнии, Аризоне, на Гавайских островах и на южном полюсе Земли. Крупнейшая из них — вышеупомянутая ALMA, — состоит из 54 параболических антенн 12-метрового диаметра и 12 тарелок диаметром 7 метров.
Еще одна интригующая идея, которую можно изучить в этом эксперименте, — это так называемый «информационный парадокс». Это явление — предсказание Стивена Хокинга о том, что материя, попавшая в черную дыру, не может быть потеряна за пределами известной вселенной, что она должна каким-то образом течь обратно. Вот увидеть как она течет и хотят астрономы. Энергия или информация покидающая чёрную дыру посредством излучения Хокинга, представляет собой квантовый эффект. Ученые регулярно видят истечение больших плазменных струй из центра галактик, где предполагаются или есть черные дыры. Если связь черных дыр и этих струй есть (либо другие утечки информации и энергии), то истинные горизонты событий в строгом смысле у сколлапсировавших объектов в нашей Вселенной не формируются.
Прав ли Энштейн
Увидеть саму черную дыру нельзя, а вот падающее в нее вещество — можно. Пыль, газ и ближайшие звезды создают вокруг черных дыр область высоких энергий, или так называемый, аккреционный диск, в котором материя сжимается и закручивается, как в воронке, и разогревается. Благодаря высоким энергиям вещество начинает ярко светиться поблизости от «горизонта событий» — рубежа, после которого черная дыра никакого излучения и информации от себя не отпускает. Таким образом мы видим изображение «поедаемой» черной дырой материи, некую тень черной дыры.
Современная стандартная космологическая модель ΛCDM («Лямбда-СиДиЭм») предполагает, что общая теория относительности является правильной теорией гравитации на космологических масштабах и наше местоположение во Вселенной никак особенно не выделяется, то есть на достаточно большом масштабе Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (изотропность) и из каждого места (однородность). Это тоже может быть подтверждено или опровергнуто.
Черные дыры объединяют в себе свойства, описываемые двумя основными физическими теориями нашего времени — теорией общей относительности (теория больших структур) и квантовой механикой (теория малых расстояний). Огромная масса черной дыры требует применения общей теории относительности для описания искривления пространства-времени, вызванного ею. Но малые размеры черной дыры и внутренние процессы требуют использования квантовой механики. До сих пор не удалось совместить обе эти теории. Объединение теорий приводит к неестественным уравнениям — например, из них следует бесконечная плотность черной дыры. Ранее в 2015 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) уже измерил магнитные поля в окрестностях этой черной дыры, но их структура была крайне необычной — сила магнитного поля в отдельных регионах диска менялась каждые 15 минут, а его конфигурация была очень разной в разных уголках.
Согласно некоторым выкладкам общей теории относительности Альберта Эйнштейна, на снимках мы сможем увидеть «полумесяц» света, окружающего абсолютно черную «каплю». Этот свет излучается материей прямо перед тем моментом, когда она пройдет через границу горизонта событий черной дыры. На горизонте событий Стрельца А* ученые предполагают увидеть множество вспышек. Эти точечные вспышки периодически генерируются там с высокой частотой — раз в день. На основе прошлых наблюдений несколько обсерваторий наблюдали нечто похожее на вспышки — осветление выбросов из Стрельца А*. В результате нынешних исследований астрономы получат возможность отслеживать их происхождение и смотреть за процессом их уменьшения.
При удачном развитии событий горячие точки станут маркером структуры временного пространства в этой сильной гравитационной области. «Это открывает двери к возможности проведения томографии временного пространства — эти пятна передвигаются, они возникают в различных областях наблюдения», — сказал ранее на презентации EHT Эвери Бродерик, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Ватерлоо. «Во вселенной есть только два места, где можно изучить сильную гравитацию в больших, очень больших масштабах и вокруг компактных объектов», — напоминает он.
Если мы увидим нечто, в корне отличающееся от того, что мы ожидаем, физикам придется пересмотреть, к примеру, теорию гравитации.
Первые снимки черной дыры, которые сможем увидеть и мы с вами, появятся не раньше 2018 года. А тем временем, посмотрим на то, что мы сможем приблизительно увидеть на этих снимках, построенных в результате компьютерного моделирования.
Объединение данных и создание общей картины с использованием измерений телескопа горизонта явлений является некорректной задачей, потому что каждый из результатов содержит бесконечное количество возможных изображений, объясняющих полученные данные. Задача астрономов состоит в том, чтобы найти объяснение, которое учитывает эти предварительные предположения, при этом удовлетворяя наблюдаемым данным. Угловое разрешение телескопа, необходимое для получения достаточного объема данных, требует преодоления многих проблем и затрудняют однозначную реконструкцию изображения. Например, при наблюдаемых длинах волн быстро изменяющиеся неоднородности в атмосфере вносят погрешности измерения. Надежные алгоритмы, которые способны восстанавливать изображения в режиме тонкого углового разрешения, ищутся постоянно.
Пока что задачу очистки, интерпретации и сведения полученных данных в одно изображение с высокой разрешающей способностью выполняет алгоритм CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors), разработанный группой ученых из Массачусетского технологического института. Однако если вы достаточно разбираетесь в физике и математике, то авторы CHIRP опубликовали для таких эрудитов простые онлайн-инструменты на сайте MIT, при помощи которых любой человек, обладающий навыками программирования, сможет создать и опробовать свой вариант алгоритма обработки данных от телескопа Event Horizon. Вдруг вы сможете увидеть проблему под совершенно нетрадиционным углом и предложить уникальный метод ее решения. Я правда не нашел информации о вознаграждении. Но может плохо искал.
В комплекте инструментов:
- Набор объединенных обучающих данных
- Набор измерений реальных данных
- Стандартизованный набор данных для тестирования алгоритмов восстановления изображений
- Интерактивная количественная оценка эффективности алгоритма на моделируемых тестовых данных
- Качественное сравнение производительности алгоритма при реконструкции реальных данных
- Онлайн-форма стенд для моделирования реалистичных данные, с использованием собственных параметров изображения и телескопа
О подготовке телескопа EHT Geektimes уже писал в прошлом году
