У серыі артыкулаў, апублікаваных 10 красавіка ў спецыяльным выпуску Astrophysical Journal Letters ( https://iopscience.iop.org/issue/2041-8205/875/1 ), каманда астрафізікаў апублікавала чатыры выявы сверхмассивной чорнай дзіркі, якая знаходзіцца ў цэнтры галактыкі Месье 87 , або M87, якая размешчана ў навале галактык Дзева ў 55 мільёнаў светлавых гадоў ад Зямлі. Усе чатыры малюнкі паказваюць цэнтральную цёмную вобласць, акружаную кольцам святла, якое здаецца аднабокі - з аднаго боку ярчэй, чым з другога.

Альберт Эйнштэйн у сваёй агульнай тэорыі адноснасці прадказаў існаванне чорных дзірак у выглядзе бясконца шчыльных кампактных абласцей ў прасторы, дзе гравітацыя настолькі вялікая, што нішто, нават святло, не можа вырвацца вонкі. Так што па вызначэнні чорныя дзіркі нябачныя. Але калі чорная дзірка акружаная святловыпрамяняльных матэрыялам, такім як плазма, ўраўненні Эйнштэйна прадказваюць, што частка гэтага матэрыялу павінна ствараць «цень» або контур чорнай дзіркі і яе мяжы, таксама вядомай як гарызонт падзей - узровень, патрапіўшы за які ўжо нішто не можа вярнуцца назад . Грунтуючыся на новых малюнках M87, навукоўцы лічаць, што яны ўпершыню бачаць цень чорнай дзіркі ў выглядзе цёмнай вобласці ў цэнтры кожнага малюнка.

Тэорыя адноснасці прадказвае, што магутнае гравітацыйнае поле прымушае святло абгінаць чорную дзірку, утвараючы яркае кольца вакол яе сілуэту, а таксама прымушае навакольны матэрыял круціцца вакол яе з хуткасцю, блізкай да хуткасці святла. Яркае крывое кольца на атрыманых фотаздымках прапануе візуальнае пацверджанне гэтых эфектаў: ​​матэрыял, які рухаецца ў кальцы ў наш бок, аказваецца больш яркім, чым той, які рухаецца ад нас.

З гэтых малюнкаў астрафізікі вылічылі, што чорная дзірка прыкладна ў 6.5 мільярдаў разоў масіўней нашага Сонца. Невялікія адрозненні паміж кожным з чатырох атрыманых малюнкаў таксама пацвярджаюць, што матэрыял побач з чорнай дзіркай перамяшчаецца амаль з хуткасцю святла.

«Гэтая чорная дзірка нашмат больш, чым арбіта Нэптуна, а яму ж патрабуецца 200 гадоў, каб здзейсніць адзін абарот вакол Сонца», - кажа Джэфры Крю, даследчык з абсерваторыі Хейстек. «Улічваючы, што чорная дзірка M87 вельмі вялікая, яе аблёт на хуткасці святла зойме тыдзень».


На фота, атрыманых на працягу тыдня, добра відаць, як змяняецца знешні выгляд чорнай дзіркі.

«Людзі схільныя разглядаць неба як нешта статычнае, дзе рэчы не мяняюцца, або, калі яны гэта робяць, то гэта адбываецца ў тэрміны, якія перавышаюць працягласць жыцця чалавека», - кажа Вінсэнт Фіш, вучоны-даследчык з абсерваторыі Хейстек. «Але M87 змяняецца ў маштабах некалькіх дзён. У будучыні мы, магчыма, зможам стварыць цэлы фільм пра жыццё чорнай деры. Сёння ж мы бачым першыя кадры ».

«Гэтыя цудоўныя фатаграфіі чорнай дзіркі M87 даказваюць, што Эйнштэйн зноў меў рацыю», - кажа Марыя Цубер, віцэ-прэзідэнт MIT па даследаваннях. «Адкрыццё стала магчымым дзякуючы дасягненням у лічбавых сістэмах, у якіх інжынеры Хейстек ўжо даўно дасягнулі поспехаў".

Прырода была добрая да нас

Выявы былі атрыманы з дапамогай масіва тэлескопаў планетарнага маштабу, званага Event Horizon або EHT. Ён складаецца з васьмі радыётэлескопаў, кожны з якіх знаходзіцца ў аддаленай ад гарадоў высакагорнай асяроддзі, уключаючы горныя вяршыні Гаваяў, іспанскую Сьера-Невады, чылійскую пустыню і льды Антарктыкі.

Схематычны размяшчэнне тэлескопаў, якія стварылі малюнак чорнай дзіркі.

У любы дзень кожны тэлескоп працуе незалежна, назіраючы астрафізічнай аб'екты, якія выпраменьваюць слабыя радыёхвалі. Тым не менш, чорная дзірка бясконца менш і цямней, чым любы іншы радиоисточник ў небе. Каб яе выразна бачыць, астраномам неабходна выкарыстоўваць вельмі кароткія хвалі - у дадзеным выпадку 1.3 міліметра - якія могуць вольна праходзіць праз газапылавога воблака паміж чорнай дзіркай і Зямлёй.

Стварэнне фота чорнай дзіркі таксама патрабуе сур'ёзнага павелічэння кутняга дазволу, што ў дадзеным выпадку эквівалентна чытання тэксту на тэлефоне ў Нью-Ёрку з кавярняў у Парыжы. Кутняе дазвол тэлескопа павялічваецца прапарцыйна памеру прыёмнай талеркі. Тым не менш, нават самыя вялікія радыётэлескопы на Зямлі недастаткова вялікія, каб убачыць чорную дзірку.

Але калі некалькі радыётэлескопаў, падзеленыя вельмі вялікімі адлегласцямі, сінхранізуюцца і факусуюцца на адной крыніцы ў небе, яны могуць працаваць як адна вельмі вялікая радиотарелка, выкарыстоўваючы метад, вядомы як вельмі доўгая базавая інтэрфераметрыя або VLBI. У выніку іх сукупнае кутняе дазвол можа быць значна павялічана.

Што тычыцца EHT, восем ўдзельнічаюць тэлескопаў сумаваліся ў віртуальную радиотарелку памерам з Зямлю, з максімальным кутнім дазволам да 20 мікрасекунд - прыкладна ў 3 мільёны разоў лепш, чым ідэальнае чалавечае зрок. Па шчаслівай выпадковасці, гэтага хапае для назірання чорнай дзіркі згодна раўнаннях Эйнштэйна.

«Прырода была добрая да нас і дала нам нешта досыць вялікая, каб убачыць чорную дзірку, выкарыстоўваючы сучаснае абсталяванне і метады», - кажа Крю, адзін з кіраўнікоў працоўнай групы па аб'яднанні тэлескопаў у масіў EHT.

Вялізныя аб'ёмы дадзеных

5 красавіка 2017 года EHT пачаў назіраць за M87. Вывучыўшы шматлікія прагнозы надвор'я, астраномы вызначылі чатыры ночы, якія дадуць ідэальныя ўмовы для ўсіх васьмі абсерваторый - рэдкая магчымасць, калі яны могуць працаваць як адна радиотарелка для назіранняў за чорнай прорвай.

У радыёастраноміі тэлескопы рэгіструюць прылятаюць фатоны як хвалі, амплітуда і фаза якіх вымяраецца як напружанне. Калі яны назіралі за М87, кожны тэлескоп запісваў якія атрымлівае напружання ў выглядзе масіваў лікаў. «Мы запісалі кучу дадзеных - петабайт для кожнай станцыі», - кажа Крю.

Усяго кожны тэлескоп атрымаў каля аднаго Петабайта дадзеных, што роўна 1 мільёну гігабайт. Кожная станцыя рэгістравала гэты велізарны паток інфармацыі на некалькі Mark6 - звышхуткіх рэгістратараў дадзеных, якія былі першапачаткова распрацаваны ў абсерваторыі Хейстек.


Такія сервера, абсталяваныя рэгістратарамі Mark6, стаяць у кожнай абсерваторыі і дазваляюць запісваць петабайт дадзеных.

Пасля заканчэння назіранняў даследчыкі на кожнай станцыі сабралі стос жорсткіх дыскаў і адправілі іх поштай у абсерваторыю Хейстек ў Масачусецы і ў Радиоастрономический інстытут Планка ў Германіі - так, паветраны транспарт у дадзеным выпадку быў нашмат хутчэй, чым электронная перадача дадзеных. У абодвух месцах дадзеныя прайграваліся на высокаспецыялізаваная суперкампутарах, званых корреляторами, якія апрацоўвалі дадзеныя двума патокамі адначасова.

Паколькі ўсе тэлескопы ў масіве EHT знаходзіліся ў розных месцах, яны мелі трохі розныя ўяўленні аб цікавіць аб'екце - у дадзеным выпадку, M87. Дадзеныя, атрыманыя двума асобнымі тэлескопамі, ўключаюць у сябе сігнал ад чорнай дзіркі, але таксама ўтрымліваюць і шум, характэрны для адпаведных тэлескопаў.

Суперкампутар-коррелятор парамі параўноўвае дадзеныя з усіх 8 тэлескопаў EHT. Па гэтых параўнанняў ён матэматычна адсейвае шум і выбірае толькі сігнал ад чорнай дзіркі. Гэтаму спрыяюць і высокадакладныя атамныя гадзіны, устаноўленыя на кожным тэлескопе - яны дазваляюць максімальна дакладна супаставіць якія атрымлівае патокі дадзеных.

«Дакладнае выраўноўванне патокаў дадзеных і ўлік усіх відаў тонкіх абурэнняў ў часе - гэта адна з рэчаў, на якіх спецыялізуецца Хейстек», - кажа Колін Лонсдейл, дырэктар Хейстек і віцэ-старшыня савета дырэктараў EHT.

Затым каманды як у Хейстек, так і ў Радиоастрономическом інстытуце Планка пачалі карпатлівы працэс «сумяшчэння» дадзеных, выяўлення шэрагу праблем на розных тэлескопах, іх выпраўлення і паўторнага сумяшчэння да таго часу, пакуль звесткі не сталі ідэальна падыходзіць адзін да аднаго. Толькі пасля гэтага яны былі перададзеныя чатыром асобным камандам па ўсім свеце, кожная з якіх атрымала заданне стварыць малюнак з іх з выкарыстаннем незалежных метадаў.

«Гэта была другі тыдзень чэрвеня, і я памятаю, што не спаў усю ноч перад атрыманнем дадзеных, пераконваючы сябе, што я змагу ўсё зрабіць правільна», - кажа Казунори Акияма, кіраўнік адной з груп па апрацоўцы малюнкаў з EHT.

Усе чатыры каманды па апрацоўцы малюнкаў раней праверылі свае алгарытмы на іншых астрафізічнай аб'ектах, пераканаўшыся, што іх метады дазволяць атрымаць дакладную візуалізацыю радиоданных. Калі дадзеныя былі атрыманы, Акияма і яго калегі адразу ж праверылі іх з дапамогай сваіх алгарытмаў. Важна адзначыць, што кожная каманда рабіла гэта незалежна ад іншых, каб пазбегнуць якога-небудзь групавога адхіленні ў выніках.

«Першае выява, якое атрымала наша група, было трохі брудным, але мы ўбачылі гэта колцавае выпраменьванне, і я быў так ўсхваляваны у той момант», - успамінае Акияма. «Магчыма, я быў адзіным чалавекам, які атрымаў малюнак чорнай дзіркі».


Малюнкі, атрыманыя рознымі камандамі.

Яго неспакой было нядоўгім. Неўзабаве пасля гэтага ўсе чатыры каманды сустрэліся ў рамках ініцыятывы "Чорная дзірка» ў Гарвардскім універсітэце, каб параўнаць атрыманыя выявы, і выявілі, з некаторым палёгкай, што ўсе яны стварылі адну і тую ж крывую структуру, падобную на кальцо - першыя прамыя малюнка чорнай дзіркі .

«Існавалі спосабы знайсці сігнатуры чорных дзюр у астраноміі, але гэта першы раз, калі хто-небудзь іх сфатаграфаваў», - кажа Крю. «Гэта пераломны момант».

Новая эра

Ідэя стварэння EHT была задумана ў пачатку 2000-х гадоў Шеперд Доулеманом, які тады кіраваў наватарскай праграмай VLBI ў абсерваторыі Хейстек, а цяпер узначальвае праект EHT. У той час інжынеры Хейстек распрацоўвалі лічбавыя рэкордары і корреляторы, якія маглі б апрацоўваць велізарныя патокі дадзеных, якія атрымліваў бы цэлы шэраг разрозненых тэлескопаў.

«Канцэпцыя атрымання малюнка чорнай дзіркі існуе ўжо дзесяцігоддзі», - кажа Лонсдейл. «Але на самой справе менавіта развіццё сучасных лічбавых сістэм прымусіла людзей задумацца пра радыёастраноміі як пра спосаб зрабіць гэта. Будавалася больш тэлескопаў на вяршынях гор, і паступова прыйшло ўсведамленне таго, што эй - [атрыманне малюнка чорнай дзіркі] не зусім вар'ятка ідэя ».

У 2007 годзе каманда Доулмана праверыла канцэпцыю EHT, усталяваўшы свае рэкордары на трох разнесеных па Зямлі радыётэлескопаў і нацэліўшы іх разам на Стралец A *, чорную дзірку ў цэнтры нашай уласнай галактыкі.

«У нас не было патрэбнай колькасці радыётэлескопаў, каб зрабіць малюнак», - успамінае Фіш, адзін з кіраўнікоў працоўнай групы EHT па навуковых аперацыях. «Але мы маглі бачыць, што там было нешта падыходнага памеру».

Сёння EHT вырасла да 11 абсерваторый: ALMA, APEX, грэнладская тэлескоп, 30-метровы тэлескоп IRAM, Абсерваторыя IRAM NOEMA, тэлескоп Kitt Peak, тэлескоп Джэймса Клерка Максвелла, Вялікі міліметровы тэлескоп Альфонса Серрано, субміліметровую масіў, субміліметровую тэлескоп і Паўднёвы полюсны тэлескоп.


Усе тэлескопы масіва EHT на дадзены момант.

Плануецца далучэнне большай колькасці абсерваторый да масіву EHT, каб зрабіць малюнак М87 больш выразным, а таксама паспрабаваць убачыць скрозь шчыльны матэрыял, які ляжыць паміж Зямлёй і цэнтрам нашай галактыкі, чорную дзірку Стральца А * ў ім.

У каардынацыі назіранняў і аналізе атрыманых дадзеных прынялі ўдзел больш за 200 навукоўцаў з усяго свету з 13 навуковых устаноў, уключаючы абсерваторыю Хейстек. «Мы прадэманстравалі, што EHT - гэта абсерваторыя, якая бачыць чорную дзірку ў маштабе гарызонту падзей», - кажа Акияма. «Гэта пачатак новай эры астрафізікі па вывучэнні чорных дзірак».