14 апреля
Сенсационное открытие века: первая фотография черной дыры в истории
Искусство, дизайн, архитектура, здания, технологии и наука, а также остальные миллионы вещей, без которых мы не можем представить себе нашу жизнь - не существовали бы, если бы не космос, который является нашим домом. Тысячи лет человечество задавалось целью постичь неизведанные края нашей планеты и только последние несколько сотен лет - нашей Вселенной. Что происходит за пределами нашей галактики, существует ли жизнь на других планетах и реальны ли эти мистические черные дыры (нарушающие все существующие законы физики), теорию существования которых предложил великий Альберт Эйнштейн и на изучение которых потратил всю свою жизнь гениальный Стивен Хокинг?
Несколько дней назад, 10 апреля, был дан ответ на один из фундаментальных вопросов человечества: миру представили первое в истории изображение черной дыры! И это сенсационное открытие навсегда разделило нашу историю на до и после.
О том, как это стало возможным, благодаря кому жители нашей планеты в одночасье сошли с ума от осознания только что открытой и прежде существовавшей лишь в кино черной дыры, и зачем для этого потребовался гигантский телескоп, размером с Землю - вы узнаете прямо сейчас!
Этот день можно назвать новой точкой летоисчисления нашей цивилизации: 10 апреля миру представили первую в истории фотографию черной дыры!
В массивной эллиптической галактике Мессье 87 от нас миллионы лет скрывался невероятно важный для науки монстр - сверхмассивная черная дыра, в 6,5 миллиардов раз превышающая массу нашего Солнца, которая заключена в горизонт событий размером в пол светового дня. Расстояние от этого гиганта свыше 50 миллионов световых лет и 10 апреля астрономы телескопа Event Horizon (EHT) представили миру первое в истории изображение черной дыры, состоящее из яркого света - кольцо эмиссии, непосредственно окружающее горизонт событий M87: точка, в которой заканчивается известная нам вселенная, за пределы которой мы не можем попасть даже мысленно.
Величина этого достижения является поистине исторической. Единственное и первое, на данный момент, изображение доказывает, что черные дыры действительно существуют - это потрясающее подтверждение предсказаний общей теории относительности величайшего Альберта Эйнштейна. Если бы эта теоретическая основа действовала на горизонте событий иным образом, изображение выглядело бы совершенно иначе. Как бы фантастически это ни звучало, но общая теория относительности точно предсказала размер, форму и внешний вид этого сверхмассивного отдаленного объекта с невероятной степенью точности.
Гигантская галактика М87, в центре которой была обнаружена и запечатлена первая в истории человечества черная дыра
Слева - Маргарет Гамильтон в 1969 году, рядом с кодом, который помог людям долететь до Луны. Справа - Кэти Боумен в момент, когда она впервые увидела результат своей работы и данные, которые помогли запечатлеть первую черную дыру
Несмотря на свой сверхмассивный размер, эллиптическая галактика M87 находится достаточно далеко от нас, что представляет невероятное количество помех для захвата любым телескопом. По словам ученых, для выполнения этой задачи требовалось нечто с разрешением более чем в 1000 раз лучше, чем лучший в мире космический телескоп Хаббл. Вместо этого астрономы решили создать что-то большее - намного большее.
В апреле 2018 года астрономы синхронизировали глобальную сеть радиотелескопов, чтобы наблюдать непосредственное окружение галактики M87. Объединив их вместе, в качестве виртуального робота Voltron, ученые сформировали телескоп Event Horizon (EHT) - виртуальную обсерваторию размером с планету, способную захватывать беспрецедентные детали на больших расстояниях.
«Вместо того, чтобы построить настолько большой телескоп, что он, вероятно, рухнул бы под собственным весом, мы объединили восемь обсерваторий, подобно осколкам гигантского зеркала», - Майкл Бремер, астроном из Международного исследовательского института радиоастрономии (IRAM) и проект-менеджер телескопа «Горизонт событий». «Это дало нам виртуальный телескоп размером с Землю - около 10 000 километров в диаметре».
В течение нескольких дней, соединенные друг с другом с помощью исключительной точности атомных часов, радиотелескопы собирали огромное количество данных на гигантскую галактику M87.
По данным Европейской южной обсерватории, ее массив Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), участвующий в телескопе Event Horizon, записал только один петабайт (1 миллион гигабайт) информации о черной дыре. Слишком большие для отправки через Интернет физические жесткие диски отправлялись с помощью самолета и вводились в вычислительные кластеры (называемые корреляторами), расположенные в обсерватории Хейстек в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, штат Массачусетс, и в Институте радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Германия.
И тогда исследователям оставалось только ждать. Первое препятствие на пути к обработке изображения касалось восьмого участвующего радиотелескопа, расположенного в Антарктике. Поскольку с февраля по октябрь полеты туда невозможны, окончательный набор данных, снятый телескопом Южного полюса, был буквально помещен в холодное хранилище. 13 декабря 2017 года он наконец прибыл в обсерваторию Хейстек.
«После того, как диски прогреются, они будут загружены в диски воспроизведения и обработаны данными с других 7 станций EHT для создания виртуального телескопа размером с Землю, который связывает тарелки с Южного полюса, с Гавайями, Мексикой, Чили, Аризоной, и Испанией», - объявила команда в декабре 2017 года. «Для сравнения результатов записей потребуется около 3 недель, и после этого может начаться окончательный анализ данных EHT за 2017 год!»
Окончательный анализ занял у них весь 2018 год, когда исследовательская группа из 200 человек тщательно изучала собранные данные и учитывала любые источники ошибок, в числе которых: турбулентность на Земле, атмосфера, случайный шум, паразитные сигналы и т. д., которые могут ухудшить изображение горизонта событий. Им также пришлось разработать и протестировать новые алгоритмы для преобразования данных в «карты радиоизлучений на небе».
Как сказал Шеп Доулман, директор EHT, этот процесс был настолько трудоемким, что астрономы стали называть его «окончательным с отсроченным удовлетворением». По данным NSF, собранные данные имели размер более 5 петабайт и содержали более полтонны жестких дисков.
Черные дыры - это огромные космические объекты, которые имеют огромное гравитационное притяжение, имеющие способность искажать пространство и время и перегревать окружающие материи. И на первой в истории фотографии черной дыры мы наблюдаем именно эти ее особенности.
Например, в двойной системе, состоящей из черной дыры и звезды-компаньона, черная дыра будет забирать, иначе говоря - приростать вещество от звезды-компаньона: если аккрецированное вещество имеет достаточный угловой момент, оно не уступит интенсивному притяжению черной дыры и будет вместо этого сформировать аккреционный диск (структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело, так называемая аккреция).
Тем не менее, теория общей относительности Эйнштейна предсказала, что если окружающая материя достаточно яркая, то черная дыра должна создавать тень, которую можно наблюдать. Такое наблюдение потребовало бы чрезвычайно высокого разрешения, чего раньше никогда не было. Поэтому проект Event Horizon Telescope и старался добиться этого.
Кэти Боумен на TED Talks год назад, с лекцией на тему "Как сфотографировать черную дыру"
«Я надеюсь, что подобный образ вызовет чувство исследования; исследование разума и вселенной », - сказал Эвери Бродерик, профессором Университета Ватерлоо и Института теоретической физики Периметра, а также член международного сообщества EHT. «Если мы сможем взволновать людей, вдохновить их начать путешествие в эту новую эру EHT наблюдательной физики черных дыр, я могу только представить, что это будет иметь глубокие последствия для человечества, движущегося вперед».
Черная дыра, расположенная на расстоянии 53,49 миллионов световых лет от центра галактики Мессье-87 - первое прямое визуальное свидетельство сверхмассивной черной дыры и ее тени.
Это действительно исторический день, благодаря которому астрофизика получила еще одну бесконечную базу данных - и, таким образом, еще одну систему отсчета, которая поможет нам лучше понять фрактальные скалярные отношения Вселенной. Подобно открытию бозона Хиггса и обнаружению гравитационных волн, первое изображение черной дыры окажет такое же влияние на общество, как и на науку, и ученые надеются, что оно вдохновит следующее поколение ученых на новые исследования и понимание того, как работает наша вселенная.
«Мы достигли того, что считалось невозможным всего поколение назад», - говорит директор проекта EHT Шеперд С. Доулман из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института. «Прорыв в технологии, связи между лучшими в мире радиообсерваториями и инновационные алгоритмы объединились вместе, с целью открыть совершенно новое окно в черные дыры и горизонт событий».
Первая фотография черной дыры и доказательство их существования не только вдохновит ученых и всех жителей планеты на новые свершения, но и, вероятно, только углубит фундаментальные вопросы и страх, окружающий эти загадочные астрономические явления. Тем не менее, одной лишь инженерной мысли, которая породила этот исторический момент, достаточно для того, чтобы осознать, что это событие - исторически важное и невероятное, и его стоит обязательно отметить!
