Как увидеть черную дыру? +43



Полученное на прошлой неделе усилиями восьми телескопов и тринадцати институтов изображение черной дыры оказалось размытым и менее интересным, чем рисунки художников, поэтому историческое событие породило множество иногда ехидных мемов (если вдруг не видели: пончик, око Саурона, котик, котики, маркетинг). Как мы можем увидеть черные дыры в хорошем качестве и при этом реалистично?



Реальность


Минувшая неделя показала, что изображение черной дыры можно получить, объединив несколько телескопов в разных частях земного шара в интерферометр со сверхдлинной базой и потратив большое количество машинного и человеческого времени на обработку полученных данных.


Изображение Event Horizon Telescope Collaboration

Чем больше расстояние между телескопами, объединенными в интерферометр, тем выше разрешение. 20 угловых микросекунд Event Horizon Telescope сравнивают с чтением газеты в Нью-Йорке из Парижа. Сверхмассивная черная дыра в галактике М87 имеет диаметр 40 миллиардов километров, ее тень, видимая как черное отверстие в центре, в 2,5 раза больше (100 миллиардов), а вокруг вращается аккреционный диск поглощаемого газа еще в несколько раз шире. Поэтому черную дыру смогли разглядеть с гигантского расстояния в 55 миллионов световых лет.

Несмотря на то, что черная дыра поглощает все, залетевшее за горизонт событий, ее можно заметить, изучая поведение вещества снаружи этого горизонта. Наблюдая за движением звезд в течение десятилетий, можно увидеть, как в центре нашей галактики они вращаются вокруг какого-то тяжелого, но невидимого объекта.


Изображение Keck/UCLA

Аккреционный диск черной дыры порождает релятивистские струи (джеты) — выбрасываемые с почти световой скоростью потоки плазмы. Вот, например, совмещение изображений в видимом («Хаббл») и радиодиапазоне джета галактики Hercules A.


Изображение NASA

А джет, исходящий из центра галактики Centaurus A, больше, чем сама галактика.


Изображение CXC/NASA и ESO

Выбросы могут быть и другой формы. Вот два «чиха» предположительно черной дыры в 26 миллионах световых лет от нас в рентгеновском диапазоне.


Изображение NASA

Еще один вариант — посмотреть на изменение траектории света, проходящего вблизи черной дыры. Из-за искривления пространства его путь меняется, и возникает эффект гравитационного линзирования, благодаря которому мы видим один и тот же объект повторенным на небе несколько раз. Особенно наглядно получается, когда галактика линзирует квазар (сверхмассивную черную дыру) — на небе возникает «крест Эйнштейна».


Изображение NASA

2016 год подарил нам возможность еще и услышать черные дыры. Преобразованные в слышимый человеческому уху диапазон гравитационные волны от слияния двух черных дыр дополняют визуальные красоты выше.


Кино


Там, где пока пасует реальность, на помощь приходит кино. На наше счастье режиссеры не ленятся приглашать настоящих ученых в качестве научных консультантов, и нарисованные объекты получаются весьма реалистичными. Вышедший в 2014 году «Интерстеллар» мог похвастаться очень качественным изображением сверхмассивной черной дыры, созданном на базе уравнений, написанных физиком Кипом Торном.


Кадр из фильма


А создатели появившейся в прошлом году картины «Высшее общество» привлекли французского астрофизика Орельена Барро. Результат оказался гораздо ближе к изображению Event Horizon Telescope, чем у «Интерстеллара».


Кадр из фильма


Спорить, кто из ученых более прав, нет смысла — оба изображения показывают научно корректные явления гравитационного линзирования и аккреционного диска. Кстати, первое изображение черной дыры было создано еще в 1979 году французским астрофизиком Жаном-Пьером Люминэ при помощи компьютера и, что совершенно неудивительно, похоже как на оба выше, так и на полученное на прошлой неделе фото реальной черной дыры.



Виртуальность


А если кому-нибудь мало просто смотреть и хочется большей интерактивности, например, полетать вокруг черной дыры самостоятельно, то для этого лучше всего подойдет бесплатный планетарий-песочница Space Engine. Оказаться возле черной дыры в центре M87 там — дело пары минут. Находим галактику, нажимаем Ctrl+Shift+G, вуаля, мы на месте.



Делаем скриншот, немного играем с яркостью и цветом, и у нас есть почти точная копия реального изображения.



А поскольку в Space Engine можно виртуально летать по всей Вселенной, энтузиасты не только посмотрели на M87, но и нашли гораздо более красивые кадры.

image
Черная дыра в центре M87







Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (17):

  1. scifinder
    /#20046006

    Объясните, пожалуйста, один момент. Везде пишут, что на изображении — тень Чёрной дыры. Но что это за тень? Как ЧД её отбрасывает? Что является источником освещения?

    • caballero
      /#20046066 / +2

      Тень в том смысле что из под горизонта событий свет не прилетает. Ну и сама дыра затеняет все что за ней находится. Точнее за так называемой сферой Шварцшильда

      • scifinder
        /#20046196 / +1

        Спасибо. Выходит, что для наблюдателя с Земли это не тень в строгом смысле, а просто некое «пустое место», которое непрозрачно, не излучает и не отражает фотоны и видимо только потому, что у него есть бэкграунд из звёзд и других излучающих объектов, на фоне которого он выглядит как дырка на скатерти?

        А эта «тень» в 2.5 раза больше ЧД потому, что это «тень» сферы Шварцшильда?

        • caballero
          /#20046404

          размера ЧД как такового никто не знает — сфера Шварцшильда и есть горизонт событий — то есть это та граница где гравитация перестает выпускать свет. а сама ЧД может быть или сжатая в бесконечную точку (сингулярность) или иметь какие то конечные размеры или вообще быть какой то расплывчатой есть разные теории.

      • Comod
        /#20050034

        Это вы уже сами придумали, тень может отбрасываться и без горизонта событий, например фотонная сфера тоже будет отбразывать тень, даже если внутри нее не будет горизонта событий.

    • Ellarihan
      /#20049464

      Вот тут ещё объясняется: habr.com/ru/post/423993
      Все знают о горизонте событий, но не все знают что мы видим не его, а фотонную сферу — область откуда свет ещё может уйти только если будет двигаться под острыми углами к нормали горизонта событий.

  2. oracle_and_delphi
    /#20046360

    в Space Engine

    А где джеты? Есть ли там дыра с джетами?

    • lozga
      /#20046394

      В исходной версии нет. Но люди делали кастомную реализацию при помощи комет.

      • Space__Elf
        /#20049290

        А источник массы = звезда, которую поглощает чёрная дыра, на каких нибудь видео показана?

  3. Master255
    /#20047268

    Я думаю, нам всем надо только радоваться, что качество снимков чёрной дыры такое плохое.
    И не дай бог нам увидеть её хотя бы в HD. Пускай телескопы размером с землю и дальше не могут её сфотографировать))
    Всех с пятницей. Картинки отличные.

  4. solariserj
    /#20050110 / +1

    А нашу чёрную дыру почему нельзя увидеть? Акреционного диска там нет? И будет ли ближайшие звезды её перекрывает.

    • Lendges
      /#20054420

      Нашу ЧД можно увидеть, но это будет сложнее. Она меньше(хоть и из-за расстояния угловой размер примерно одинаковый) и не такая яркая как ЧД М87. Плюс вокруг неё больше «шумов» в виде различного мешающего, для наблюдения газа и подобного. Насколько я помню, ученые наблюдали как раз за этими двумя ЧД, но выложили фотки М87, потому что от нашей не удалось получить адекватной картинки.

    • Kocmohabt314
      /#20059396

      Т.к. мы находимся в плоскости вращения галактики, то увидеть черную дыру нашей галактики нам мешает то огромное количество звезд которое заполняет расстояние от нас до центра галактики, а другие галактики могут быть видны со стороны оси вращения этих галактик, поэтому между их черной дырой и землей может быть меньше звезд. Примерно так я это понимаю, надеюсь нормально объяснил, у меня иногда бывают с этим сложности.

  5. Ilya81
    /#20057348

    Чем больше расстояние между телескопами, объединенными в интерферометр, тем выше разрешение. 20 угловых микросекунд Event Horizon Telescope сравнивают с чтением газеты в Нью-Йорке из Парижа. Сверхмассивная черная дыра в галактике М87 имеет диаметр 40 миллиардов километров, ее тень, видимая как черное отверстие в центре, в 2,5 раза больше (100 миллиардов), а вокруг вращается аккреционный диск поглощаемого газа еще в несколько раз шире. Поэтому черную дыру смогли разглядеть с гигантского расстояния в 55 миллионов световых лет.

    Странные величины по мне. В справочники смотреть мне не охота, пишу по памяти. 55 миллионов световых лет — это примерно 15 мегапарсек, т. е. размер для диаметра орбиты земли будет 1/15 микросекунды. Если разрешение 20 микросекунд, значит один пиксель равен 300 диаметрам орбиты земли, т. е. 300 * 300 млн. км = 90 млрд. км. Т. е. тень получается чуть больше 1 пикселя? Хоть изображение и выглядит размытым, для 1 пикселя деталей всё равно многовато.