Тень чёрной дыры: предложена новая стандартная линейка для космических расстояний
В центрах большинства галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры огромной массы, от миллионов до миллиардов солнечных. Чёрную дыру нельзя увидеть непосредственно, однако она будет выглядеть чёрным пятном, на фоне которого будут выделяться яркие источники света.
Чёрные дыры трудно наблюдать из-за их малых угловых размеров, поэтому требуется чрезвычайно высокое угловое разрешение. В апреле 2019 года Event Horizon Telescope было получено первое реальное изображение черной дыры (точнее, её аккреционного диска), расположенной в галактике Messier 87, находящейся на расстоянии в 53 млн км от нас. Как писали представители проекта Event Horizon Telescope, разрешения, достигнутого в проекте (25 микродуговых секунд), достаточно, чтобы читать газету в Нью-Йорке, находясь в уличном кафе в Париже.
Однако расширение Вселенной приводит к тому, что на больших расстояниях наблюдаемый угловой размер объекта начинает не уменьшаться, а увеличиваться с ростом красного смещения. Это приводит к тому, что «тени» от очень далеких черных дыр могут иметь достаточно большие угловые размеры, чтобы их можно было наблюдать с помощью телескопов следующих поколений, например, James Webb Space Telescope и «Миллиметрон».
Исследуя эту гипотезу, сотрудники ИКИ РАН в 2018 году опубликовали работу, где было показано, в частности, что в определенных условиях размер тени черной дыры на большом красном смещении может быть сравним с размером тени черной дыры в центре нашей Галактики. На основе этих вычислений исследователи недавно предложили использовать тень черной дыры в качестве так называемой «стандартной линейки» в космологии.
Ожидаемый угловой размер тени черной дыры с учетом влияния расширения Вселенной в зависимости от красного смещения. Черными сплошными линиями показаны кривые для трех разных масс. Кривые вычислены для современного набора космологических параметров. На больших красных смещениях угловой размер тени начинает увеличиваться и может достигать размеров тени в галактике M87 (показан для сравнения красным кружком)
«Стандартной линейкой» в космологии называются астрономические объекты с известным размером. Эффективный линейный размер тени черной дыры (фактически, линейный размер той области пространства, которую мы воспринимаем как «тень») определяется главным образом ее массой. Следовательно, если мы можем точно измерить массу черной дыры, то физический размер ее тени станет нам известен. Поделив его на наблюдаемый угловой размер тени, мы определяем расстояние до черной дыры. Полученное таким образом расстояние можно сравнить с расстоянием, вычисленным исходя из красного смещения для данной космологической модели. Если эти два расстояния совпадают, это означает, что используется правильная космологическая модель. Если же нет — мы можем, исходя из этого сравнения, «подправить» параметры модели.
Теоретически тень определяется как область неба, которая остается темной, если источники света распределены повсюду, но не между наблюдателем и черной дырой. На рисунке показано образование тени в случае сферически-симметричной черной дыры. Слева: лучи, испускаемые самим наблюдателем, либо (1) изгибаются и уходят в бесконечность, либо (2) падают в чёрную дыру, либо (3) навиваются на её фотонную сферу.
Справа: множество источников света, окружающих чёрную дыру, испускает лучи во всех направлениях, но ни один из лучшей, достигших наблюдателя, не может пройти через область, заполненную лучами типа (2). В результате наблюдатель увидит в небе черный диск — тень черной дыры.
Например, таким образом можно получить постоянную Хаббла (Hubble constant). Постоянная Хаббла измеряется различными методами, при этом присутствует несогласованность между результатами. Поэтому новые независимые способы ее получения имеют принципиальное значение. Однако для использования такого метода необходимо будет дождаться появления телескопов с угловым разрешением лучшим хотя бы на один порядок, чем у существующих.
