Подбираясь к горизонту событий

Увидеть черную дыру! Это одна из самых амбициозных задач современной астрономии. Как с этой задачей справиться? Сам по себе горизонт событий черной дыры никак не проявляется. Но можно, например, увидеть ее тень — она немного больше горизонта (для невращающейся черной дыры — в полтора раза). В данном случае тень — круг, в котором наблюдатель не видит фотонов, излученных дальше черной дыры. Еще можно попытаться увидеть нечто, происходящее на последней стабильной орбите вокруг черной дыры. Ее радиус — в три раза больше радиуса горизонта.

Понятно, что речь идет о тяжелейшей задаче. Радиус горизонта (шварцшильдовский радиус) невращающейся черной дыры с массой Солнца равен 3 км и пропорционален массе. Так, для миллиарда солнечных масс (а такие существуют) радиус будет 3 млрд км — это уже порядка размера Солнечной системы. Для простоты все оценки здесь и далее даны для невращающейся черной дыры. Для вращающейся (а реальные черные дыры вращаются) горизонт меньше, зависит от параметра вращения и не сферичен. Остальные параметры тоже немного отличаются.

Для подавляющего большинства черных дыр задача «сфотографировать» ее ближайшие окрестности безнадежна. Например, угол, под которым виден горизонт первой из открытых черных дыр, Лебедь Х-1, — примерно 10–¹⁵ радиана, или 10–¹⁰ угловой секунды. Но есть и не столь безнадежные случаи.

Дело в том, что радиус горизонта пропорционален массе, а не кубическому корню из нее, как для обычных тел. Рекорд по угловому размеру делят два объекта огромной массы. Первая -центральная черная дыра в нашей Галактике -4,14 млн солнечных масс. Радиус ее горизонта событий виден под углом 0,5 x 10^-10 радиана, или 10 угловых микросекунд. Примерно под таким же углом можно наблюдать сверхмассивную черную дыру в центре галактики M87, которая в свою очередь центральная в ближайшем крупном скоплении галактик в созвездии Девы. До нее примерно в 2000 раз дальше, но и ее масса примерно в 2000 раз больше — около 10 млрд солнечных масс.

Предел разрешения существующих оптических телескопов в тысячи раз хуже приведенной величины. Радиоинтерферометры по разрешению уже ближе: если расстояние между антеннами порядка размера земного шара, то на волне длиной несколько сантиметров разрешение составит 10^-8, или порядка угловой миллисекунды. Не хватает сотни. А если вывести одну из антенн далеко в космос, то разрешение становится достаточным для того, чтобы увидеть тени двух упомянутых выше черных дыр.

Речь об успешно идущем эксперименте «Радиоастрон», который уже дал карты ряда объектов с рекордным разрешением, в частности, карты джетов (струй), испущенных сверхмассивными черными дырами, в том числе и джета упомянутого выше монстра в галактике М87. Разрешения «Радиоастрона» достаточно, чтобы увидеть искомую тень. Но тут возникает другая проблема: окрестности черной дыры в М87 непрозрачны для радиоволн, на которых работает «Радиоастрон». Там слишком много электронов высокой энергии в магнитном поле, которые поглощают радиоволны, -это так называемый эффект синхротронного самопоглощения. Это было ясно заранее, наблюдения ядра М87 подтвердили данный факт. «Радиоастрон» видит только внешнюю «фотосферу» ядра М87.

Чтобы проникнуть глубже, нужны более короткие волны — эффект синхротронного самопоглощения быстро падает с уменьшением длины волны. В этом плане основные надежды связаны с проектом «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope — EHT) — глобальным интерферометром со множеством антенн, работающих в субмиллиметровом диапазоне.

Субмиллиметровый диапазон более сложен для интерферометрии, чем сантиметровый, — нужны сверхточные сверхстабильные часы и гигантские объемы обрабатываемой информации (800 процессоров, сеть 40 Гбит/с) — такая возможность появилась только в XXI веке. Угловое разрешение глобального интерферометра в субмиллиметровых волнах — около десяти микросекунд, достаточно, чтобы подобраться к горизонту событий двух рекордных черных дыр. Первые результаты обещают показать миру в 2019 году.

Существует проект космического телескопа в этой области: «Миллиметрон» — потенциальный преемник «Радиоастрона». Если удастся использовать его в режиме интерферометра (что чрезвычайно сложно), то угловое разрешение будет фантастическим.

И вот на днях появилась неожиданная и оптимистичная новость: обнаружено движение по орбите размером лишь в несколько раз больше радиуса горизонта событий черной дыры в центре нашей Галактики. Лично для меня самым неожиданным стало то, что открытие сделано в оптике, точнее — почти в оптике -в ближнем инфракрасном свете (2,2 микрона). Если интерферометрия на длине волны от долей миллиметра и больше по сути цифровая (исследователи записывают данные с каждой антенны и ищут корреляции в режиме оф-лайн), то в оптике и инфракрасном диапазоне возможна только «классическая» аналоговая интерферомерия — смешивается свет от разных телескопов.

Результат был получен на комплексе телескопов VLT (Very Large Telescope), входящем в состав Южной европейской обсерватории в Чили. Четыре телескопа с зеркалами диаметром 8,2 м с помощью системы GRAVITY связаны в единый интерферометр с базой порядка сотни метров. Достигнутое разрешение — 3 миллисекунды, оно явно недостаточно для исследования ближайших окрестностей черной дыры. Но еще существует астрометрическая точность — она всегда намного лучше разрешения. Если там есть одиночный яркий объект, то его положение можно определить с точностью 20-70 угловых микросекунд. Такие объекты есть, хотя и нестабильные. Это яркие вспышки во внутренней части аккреционного диска вокруг черной дыры.

В настоящее время черная дыра в центре нашей Галактики сидит на «голодном пайке», но все-таки какая-то аккреция происходит и излучается светимость, эквивалентная нескольким тысячам светимостей Солнца. Как всегда, аккреция идет через диск — он довольно разреженный, оптически тонкий, т. е. прозрачный для света, и, как обычно, сильно замагниченный, поскольку плазма, стягивающаяся к черной дыре, тянет с собой магнитное поле. Раз есть замагниченная плазма, да еще с большим градиентом скоростей, неизбежны вспышки, подобные солнечным. Их природа — пересоединение петель магнитного поля. Излучают при этом электроны, движущиеся в магнитном поле (синхротронное излучение). Причем чем ближе к черной дыре, тем ярче должны быть вспышки.

Аккреционный диск тянется внутрь до последней стационарной орбиты, именно вблизи последней должны возникать наиболее яркие вспышки. Оттуда уже рукой подать до горизонта событий.

Команда эксперимента GRAVITY исследовала две яркие вспышки длительностью порядка часа, произошедшие 22 и 28 июля 2018 года, и более слабую вспышку 27 мая того же года¹. Обнаружено смещение источника на 120 угловых микросекунд за время порядка получаса.

Это соответствует перемещению со скоростью 30% скорости света — подобное орбитальное движение наблюдается впервые.

Траектория вспышки 22 июля показана на нижней правой панели рис. 1 — за время наблюдения источник описал по часовой стрелке 50-70% окружности. Конечно, ошибки в измерении положения достаточно велики, но круг или эллипс просматриваются без привлечения чрезмерного воображения. Центр круга в пределах ошибок согласуется с положением черной дыры, определенным из траекторий близких звезд, которые изучены тем же инструментом GRAVITY (показано оранжевым крестом на рис. 1).

Результаты подгонки траектории к данным по вспышке 22 июля таковы: радиус орбиты — 7 гравитационных радиусов, или 3,5 шварцшильдовского радиуса для массы 4 млн солнечных (авторы пользуются определением, где гравитационный радиус вдвое меньше шварцшильдовского). Ошибка порядка гравитационного радиуса. Итак, видим движущийся объект совсем близко к предельной стабильной орбите (шесть гравитационных радиусов) и близко к горизонту событий. Параметр вращения черной дыры вытащить из результатов не удается.

Две другие вспышки тоже перемещались, хотя их траектории менее похожи на круговые из-за ошибок измерения. Важно то, что картина подкрепляется вращением плоскости поляризации фотонов, что и должно быть, если мы имеем дело с синхротронным излучением электронов в магнитном поле.

Насколько надежен результат? Оценить статистическую значимость эффекта (вероятность того, что эффект имитирован случайной флуктуацией) довольно трудно. В статье соответствующей оценки не дается, и есть еще к чему придраться. На глаз, если судить по рис. 1a, формальная значимость не слишком велика, но «правильная» последовательность положений во времени и соответствующее вращение плоскости поляризации дают дополнительные аргументы.

Конечно, абсолютной стопроцентной уверенности результаты не дают, но навскидку результат выглядит достаточно значимым, чтобы опубликовать его. В конце концов, измерения воспроизводимы — вспышки время от времени будут повторяться, инструмент работает.

Итак, похоже, добрались до предельной стационарной орбиты. Следующий шаг — тень черной дыры.

Борис Штерн,
астрофизик, вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН

¹ Результаты опубликованы в статье в Astronomy & Astrophysics от 31 октября 2018 года, доступной по ссылке eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1835/eso1835a.pdf