Три стыдных вопроса о фотографии черной дыры

У астрономов (да и у всего человечества) праздник: представлен первый снимок черной дыры. Он был создан с использованием Event Horizon Telescope (EHT), виртуального телескопа, состоящего из нескольких радиотелескопов по всему миру. Изображение демонстрирует материал вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики на расстоянии 55 миллионов световых лет. И да, черная дыра — это концентрированная физика, сумасшедшие гравитационные явления на грани возможного и невозможного, экстремальные условия (подробнее о том, как устроены черные дыры, можно почитать здесь). Но есть несколько вопросов.

Черную дыру трудно увидеть, потому что она черная?

Нет. То есть, да. Это правда: черные дыры — черные. Обычно мы видим всякие звезды и все такое, потому что свет, который они излучают, доходит до наших телескопов (или прямо в наши глаза), и мы его регистрируем. Черные дыры действительно черные. Они не излучают видимого света (из-за сложных гравитационных фокусов), поэтому их не видно.

Но это не большая проблема. Если бы черная дыра была у нас в Солнечной системе, вы бы ее увидели. Вы увидели бы искривление пространства ее присутствием и увидели бы вещество, которое вращается вокруг этой воронки. Если вы видели фильм «Интерстеллар», в нем приблизительно точно показана визуализация черной дыры — ее делали с помощью астрофизика Кипа Торна.

Черную дыру трудно увидеть, потому что она крошечная. Ну, хорошо, не такая крошечная, как муравей, например. Она крошечная в том смысле, что человек крошечный, если смотреть на него с расстояния километра. Лучшим термином будет угловой размер. Если вы повернете голову по кругу, вы получите круговой обзор на 360 градусов (но не забывайте повернуть и тело, а то шею свернете). Если вы будете держать большой палец на расстоянии вытянутой руки, это примерно полградуса углового размера. У Луны примерно такой же угловой размер, поэтому вы можете прикрыть ее большим пальцем.

Что же насчет размеров черной дыры? Да, она огромна. А еще она на расстоянии 55 миллионов световых лет. Это значит, что для того, чтобы свету добраться так далеко, ему потребуется 55 миллионов лет. Это невероятно далеко. Но в действительно нам мешает угловой размер. У черной дыры (по крайней мере, ее видимой части) угловой размер — около 40 микроарксекунд.

Что такое микроарксекунда? Как вы знаете, круг разбит на градусы (и уже давно). Каждый градус можно разбить на 60 угловых минут, а каждая минута — это 60 арксекунд. Если разбить арксекунду на миллион частей, получится микроарксекунда. Помните, что угловой размер Луны — 0,5 градуса (если смотреть с Земли)? Это значит, что угловой размер Луны в 45 миллионов раз больше, чем размер черной дыры. Черная дыра крошечная с точки зрения углового размера.

Но это еще не все. Из-за дифракции мы не можем видеть вещи крошечных угловых размеров. Когда свет проходит сквозь отверстие (например, попадает в телескоп или в глаз), он рассеивается. Он изгибается таким образом, что мешает остальному свету, проходящему через отверстие. В случае с глазом, это означает, что люди могут разобрать объекты с угловым размером около 1 аркминуты.

И это так же означает, что что-то настолько крошечных угловых размеров, как черная дыра, сложно поймать на фото.

Как преодолеть дифракционный предел?

Допустим. Вещи крошечных угловых размеров действительно тяжело разглядеть — как же нам тогда увидеть материал вокруг черной дыры? Угловое разрешение телескопа на самом деле зависит только от двух вещей: размера отверстия и длины волны света. Использование меньших длин волн (таких как ультрафиолетовой или рентгеновское излучение) дает лучшее разрешение. Но в таком случае телескоп использует длину волны света в миллиметровом диапазоне. Это довольно большая длина волны по сравнению с видимым светом, который находится в диапазоне 500 нанометров.

И это означает, что единственный способ преодолеть дифракционный предел — сделать телескоп побольше. То есть, то, что сделали с Event Horizon Telescope. По сути, это телескоп размером с Землю. Безумие, но правда. Получая данные из нескольких телескопов в разных частях света, вы можете объединить данные, чтобы превратить их в данные с одного ГИГАНТСКОГО телескопа. Правда, придется постараться. Но и с этим методом есть проблемы. Имея всего несколько телескопов, группа EHT использует ряд аналитических методов для создания наиболее вероятного изображения из собранных данных. Так им удалось «нарисовать» материал вокруг черной дыры.

Это реально фото черной дыры?

Если вы смотрите в телескоп и видите Юпитер, вы на самом деле видите Юпитер. Примечание: если вы еще этого не делали, обязательно попробуйте. Это круто. Солнечный свет отражается от поверхности Юпитера, а затем проходит через телескоп в ваш глаз. Бум. Юпитер. Он реален.

Но с черной дырой все немного не так. Изображение, которое вы видите, даже не в видимом диапазоне. Это радиоизображение, созданное из длин волн света. В чем же разница между радиоволнами и обычным видимым светом? На самом деле, разница только в длине волны.

Световые и радиоволны — это электромагнитные волны. Это распространение меняющегося электрического поля вместе с меняющимся магнитным полем (одновременно). Эти волны движутся на скорости света — потому что они и есть свет. Однако, поскольку радио и видимый свет имеют разные длины волн, они по-разному взаимодействуют с веществом. Если вы включите радио дома, вы получите сигнал с ближайшей радиостанции. Эти радиоволны проходят прямо через стены. А видимые — не проходят.

То же самое относится к изображениям. Если у вас есть видимый свет от объекта, вы можете увидеть его своим глазом и записать это изображение на пленку или с помощью цифрового регистратора. Это изображение затем можно вывести на экран компьютера и, собственно, рассмотреть. Примерно так вы можете увидеть снимок луны.

Что касается материала вокруг черной дыры, это не видимое изображение. Это радиоизображение. Каждый пиксель на снимке представляет определенную длину волны, но радиоволны. Оранжевые части — это ложное цветовое представление волны длиной 1 миллиметр. То же самое происходит, когда мы хотим «увидеть» изображение в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Мы должны преобразовать эти длины волн в то, что сможем увидеть.