Юрий Ковалев: Астрофизические постмодернисты в поисках черных дыр

Гости
Юрий Ковалев
член-корреспондент РАН, руководитель научной программы проекта «РадиоАстрон»

В апреле 2019 года специальный выпуск журнала The Astrophysical Journal Letters вышел с сенсационными снимками. Ученые впервые получили изображения тени черной дыры. Как ученым удалось заполучить снимки одного из самых загадочных объектов Вселенной, рассказывает член-корреспондент РАН, руководитель научной программы проекта «РадиоАстрон» Юрий Ковалев.

Ольга Орлова: В апреле этого года специальный выпуск журнала «Astrophysical Journal Letters» вышел с сенсационными снимками: ученые впервые получили изображение тени черной дыры. Почему это так важно и о чем рассказали эти снимки? Об этом по гамбургскому счету мы решили спросить члена-корреспондента Российской академии наук, руководителя научной программы проекта «Радиоастрон» Юрия Ковалева.

Здравствуйте, Юрий. Спасибо, что пришли в нашу программу.

Юрий Ковалев: Здравствуйте, Ольга.

Голос за кадром: Юрий Ковалев. Родился в Москве в 1973 году. В 1997 году окончил Физический факультет МГУ имени Ломоносова. В 2000 году защитил кандидатскую диссертацию, а в 2001 – докторскую. Проводил исследования в Национальной радиоастрономической обсерватории США и в Институте радиоастрономии Общества Макса Планка в Германии. Руководитель научной программы международного проекта наземно-космического интерферометра «Радиоастрон». В 2016-ом избран членом-корреспондентом Российской академии наук. С 2017 года руководит лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ. Лауреат премии РАН по астрономии имени Бредихина, премии фонда «Династия для молодых докторов наук», а также премии имени Вильгельма Бесселя Фонда Александра фон Гумбольдта.

Ольга Орлова: Итак, Юрий, произошло в астрофизике знаменательное событие, событие на весь мир. Потому что астрофизики получили изображение объекта, который в 6.5 млрд раз больше массы Солнца и находится в центре галактики M87 в созвездии Девы на расследовании 50 млн световых лет от нас. И, как объявили ваши коллеги, это тень от черной дыры. Это действительно такое потрясающее событие, как об этом писали, сообщают все научные издания?

Юрий Ковалев: Да, это, конечно, замечательное событие. Мы этого очень долго ждали. Вы правильно все сказали. Действительно получили изображение все-таки не черной дыры, а именно ее тени.

Ольга Орлова: Давайте сначала напомним. Чтобы оценить уникальность этого события, нам нужно напомнить, что такое черная дыра.

Юрий Ковалев: Из курса школьной физики мы знаем, что для того, чтобы какому-то телу покинуть объект (например, покинуть планету Земля или покинуть Солнце), необходимо набрать так называемую вторую космическую скорость. Так вот, черная дыра – это объект, для которого до определенного расстояния величина второй космической скорости больше, чем скорость света. И по этой причине она и будет черная. И если оно приравнять к другому, то получится очень простая формула, которую я даже рискну озвучить в эфире.

Радиус горизонта событий (то есть как раз расследование от центра черной дыры), на котором вторая космическая скорость равна скорости света, равен 2*G*M/c^2, где G-гравитационная постоянная, M – масса черной дыры, c – скорость света. Вообще-то все эти понятия и величины деточки изучают, наверное, даже в средней школе. Например, для Солнца, если у вас есть черная дыра массой, равной массе Солнца, этот радиус, размер горизонта событий, будет равен примерно 3 км. Если у нас есть черная дыра массой, равной массе планета Земля, ее гравитационный радиус будет равен примерно 9 мм.

Ольга Орлова: Юрий, неслучайно ведь проект и коллаборация, которая занималась этим, называется «Горизонт событий». И вы сейчас сказали о радиусе горизонта событий. Что это такое? Почему это такое важное понятие здесь?

Юрий Ковалев: Именно потому, что любое тело, которое попадает под горизонт событий, мы больше его никогда не увидим, ничего о нем не узнаем. Это если упрощенно. Соответственно, никакая информация. Опять же, я упрощаю немножечко. Никакая информация из-под горизонта событий наружу выйти не может. Именно проблема заключается в том, что сам этот объект увидеть невозможно. Поэтому в некотором смысле сказать, что нашим коллегам-ученым удалось получить прямое доказательство существования черной дыры, наверное, не очень правильно.

Ольга Орлова: Получается, что в таком случае мы не можем увидеть изображения любых черных дыр? Мы будем видеть только тень. То есть если в другом месте, в другой галактике будут зафиксированы, мы от черной дыры можем получить только тень?

Юрий Ковалев: Мы от черной дыры можем получить разные проявления. Если мы хотим получить изображение, то мы говорим про изображение тени от черной дыры. Но, вообще говоря, мы наблюдаем громадное количество проявлений существования черных дыр во Вселенной. Но все эти проявления нельзя показать народу в виде изображения.

Например, несколько лет назад была выдана Нобелевская премия за детектирование гравитационных волн. Так вот, детектирование гравитационных волн произошло от события, которое мы интерпретируем как слияние двух черных дыр.

Ольга Орлова: Да, совершенно верно. И как раз то, что порождает собой это слияние… То есть мы смогли зафиксировать эти волны.

Юрий Ковалев: Гравитационное излучение, которое произошло в результате слияния двух черных дыр общей массой несколько десятков масс Солнца.

Ольга Орлова: И тогда надо сказать, что они как-то тоже очень так прихотливо визуализировали этот процесс.

Юрий Ковалев: Они взяли художника с воображением, рассказали, что нужно нарисовать. И мы получили эти замечательные картинки. Понятно, что люди хотят видеть изображение. То, что мы видим на сегодняшний день, тень от черной дыры – это наиболее прямое из косвенных изображений черных дыр.

Ольга Орлова: Давайте мы сейчас как раз вернемся к этой коллаборации «Горизонт событий». Как было получено изображение. Это ведь тоже очень сложный и интересный международный проект.

Юрий Ковалев: Это очень тяжелый проект. Совершенно верно. Увидеть черную дыру с помощью классического одиночного телескопа невозможно. Его разрешение, то есть способность разглядеть мельчайшие детали объекта, карту которого мы строим, просто не хватит. Ни у какого телескопа на Земле или в космосе такого разрешения, такой способности нет.

Ольга Орлова: То есть понадобилось содружество телескопов, целая сеть?

Юрий Ковалев: Совершенно верно. Понадобилась сеть телескопов.

Ольга Орлова: Давайте посмотрим, как выглядит эта сеть.

Юрий Ковалев: Замечательно. Мы имеем на экране картиночку из сети телескопов. Например, вы видите, один из телескопов находится на Южном полюсе. Наверное, самый важный телескоп этой решетки находится в Чили. Он называется ALMA. Он самый чувствительный. Благодаря ему вся сеть телескопов получила необходимую чувствовать, для того чтобы иметь возможность восстановить изображение данного объекта. И, вообще говоря, так как это интерферометр, по-честному надо признаться нашим зрителям, что интерферометр как таковой изображение у нас не строит. И вообще мы в результате вращения Земли… Представьте, что эта картинка вращается вокруг осени вращения Земли. И эти телескопы в результате своего движения как бы заметают определенные дуги на планете Земля и в результате синтезируют гигантский радиотелескоп размером с Землю.

Ольга Орлова: Получается на основе один большой радиотелескоп.

Юрий Ковалев: Совершенно верно. Получается один гигантский радиотелескоп, как планета Земля, состоящий в основном из дырок. Потому что наша планета Земля, к сожалению или к счастью (разные люди считают по-разному), не заполнена целиком телескопами. Мы ходим по улицам.

Ольга Орлова: Какое несчастье.

Юрий Ковалев: Так сложилось. Немножечко нам не сфартило. Поэтому в основном это дырки. И мы немножко, совсем немножко, синтезируя такой телескоп, закрываем его как бы такими металлическими панелями, и в некоторых местах оказываются эти телескопы, которые предоставляют нам необходимую информацию.

Ольга Орлова: Вы сказали, что если быть честными, то это не совсем изображение.

Юрий Ковалев: Совсем не изображение.

Ольга Орлова: Но все-таки – а что же это? Вот эта полученная картинка – что же это такое?

Юрий Ковалев: Мы получаем данные из каждой пары наших телескопов, которые мы видели на картинке. А всего в сети телескопа «Горизонт событий», этого интерферометра, этой сети – 8 телескопов. Соответственно, у количество пар – N*(N-1)/2 = 28 таких пар элементарных интерферометров. И каждый из них получает информацию о доле излучения, приходящего от нашего объекта, имеющего ту или иную величину компактности. То есть наиболее протяженное излучение даст сигнал, который измерит наша пара телескопов, расстояние меж которыми маленькое.

Сигнал, который приходит из наиболее компактных деталей нашего изображения, измерит те пары телескопов, расстояние между которыми наиболее. И после того, как мы измерили этот сигнал, прокалибровали его, то есть ушли от всех тех эффектов, которые нам мешают. Ведь излучение проходит через атмосферу Земли, там с ним всякая гадость происходит, через электронику наших телескопов. Вот мы ушли от всех этих эффектов. Мы получили чистый честный калиброванный сигнал. Однако он не имеет ничего общего с изображением. И дальше нам на основе специального анализа этих данных надо решить так называемую некорректную обратную задачу. Нам нужно восстановить изображение исследуемого объекта.

Ольга Орлова: Смотрите, если вы говорите, что одна пара телескопов улавливает сигналы одного рода. Другая пара телескопов, где наибольшее расстояние, улавливает сигналы другого рода. Как же тогда ученым удалось получить это изображение, и вообще насколько оно тогда правдиво, насколько ему можно верить?

Юрий Ковалев: Это жутко тяжелая задача. Наши коллеги, если я правильно помню, в общей сложности использовали три или четыре разных метода восстановления этого изображения. И они разбили…

Ольга Орлова: В смысле параллельно? Они делали это разными способами?

Юрий Ковалев: Да. И они разбили группы ученых, которые получали эти изображения, на разные части. И этим группам было запрещено общаться друг с другом.

Ольга Орлова: То есть чтобы это был слепой чистый эксперимент.

Юрий Ковалев: Абсолютно точно. Эти группы получили одни и те же данные и работали совершенно независимо, для того чтобы восстановить это изображение. После чего они скопировали полученные результаты на общий сервер. И один единственный человек, с которым мы вместе активно работаем, он является коллаборатором в рамках нашего проекта «Радиоастрон», он единственный имел доступ к этим данным. И он провел сравнительный анализ. После чего все группы съехались на совещание (это было в июле месяце 2018 года в Гарварде), где они впервые увидели результат перекрестного анализа и результат работы друг друга. Действительно, все изображения выглядели очень похоже.

В результате обработки этих данных каждой группой был получен этот самый бублик с уярчением с одной из стороны.

Ольга Орлова: Давайте как раз тогда посмотрим на само изображение, которое в результате таким сложным образом восстановили сразу несколько групп.

Юрий Ковалев: Самое время. Сюрприз-сюрприз. Мы на экране видим не одно изображение, потому что целых 4. Потому что я вам рассказал не все. Каждая из научных групп не только независимо восстанавливала изображение центра Девы А, тень от черной дыры, но она это делала для четырех разных дней наблюдений.

Наши коллеги наблюдали центр галактики Дева А. Обратите внимание. Это была весна 2017 года, 5, 6, 10 и 11 апреля. Почему несколько дней? Это очень тяжелые наблюдения. Это действительно техника, которая раньше в регулярных научных наблюдениях никогда не использовалась. Это был первый сеанс наблюдений телескопа «Горизонт событий», который включал в себя все 8 телескопов. Один из этих телескопов – это решетка ALMA, которую впервые фазировали, то есть суммировали сигналы, получаемые всеми ее более чем 60 телескопами вместе. Крайне тяжелая задача. Так вот, техника могла подвести. Погода могла подвести. Поэтому наблюдения были проведены 4 раза.

Так вот, весной 2017 года нашим коллегам повезло. Техника работала шикарно, погода была хороша все дни. Поэтому, обратите внимание, наши коллеги не только проверили результат, сравнив несколько разных методов восстановления изображения. Но они еще и проверили его повторяемость, обработав данные независимо с 4 разных дней наблюдений.

И здесь на экране мы видим все 4 изображения. Наверное, они выбрали 11 апреля, потому что это были самые хорошие в смысле чувствительности, соответственно, динамического диапазона, данные. Однако вы видите, как они похожи друг на друга. Везде этот самый бублик, который более яркий снизу. И размер этого бублика или размер центрального темного пятна как раз соответствует нашим ожиданиям.

Смотрите, у ученых есть разные способы оценить массу центральных черных дыр в галактиках. И эти способы основываются на очень простых физических законах. И главным образом они используют информацию о скорости движения тел (я очень упрощаю), которые находятся рядом с центральной сверхмассивной черной дырой. Впрямую видеть то, что происходит в центре галактики Дева А, мы не можем. Мы пользуемся определенными косвенными способами, в результате которых ученые и оценили массу центральной сверхмассивной черной дыры или какого-то объекта в центре девы А в районе 6 млрд масс Солнца.

Далее, имея массу этой черной дыры, мы можем оценить гравитационный радиус, этот самый размер горизонта событий. И дальше в результате физического моделирования предсказать, каков же должен быть размер тени. А размер тени примерно в 3 раза больше, чем размер горизонта событий. Соответственно, размер тени, который мы можем разглядеть, различить с помощью телескопа «Горизонт событий», сети интерферометров, находящихся на Земле, работающих на длине волны 1.3 мм, мы можем разглядеть только для двух объектов. Это только центр галактики Дева А и центр нашей галактики. Соответственно, поэтому весной 2017 года наши коллеги наблюдали эти два объекта. И в апреле месяце 2019-го они объявили положительные результаты, вот эту картинку-изображение для центра Девы А.

Ольга Орлова: Юрий, вы же являетесь руководителем научной программы «Радиоастрон». А когда «Радиоастрон» запускался, там, в частности, среди научных задач стоял и поиск черной дыры. Но почему вашей коллаборации это сделать не удалось?

Юрий Ковалев: Мы с самого начала говорили, еще до запуска «Радиоастрона» в космос, что мы обязательно проведем эти наблюдения, потому что было бы глупо их не сделать. Смотрите, мы можем предсказать размер тени. И как раз для черной дыры в центре девы А предсказанный размер тени был значительно больше, чем то угловое разрешение, которое позволяло реализовать наш проект наземно-космического интерферометра «Радиоастрон». Поэтому было бы глупо не попробовать. Это с одной стороны. С другой стороны, мы прекрасно понимали, что те длины волн, на которых должен был работать «Радиоастрон» - это от 1 метра до 1 сантиметра. Они достаточно длинные. В частности, на самой короткой нашей длине волны (примерно 13 мм) мы знали из других косвенных измерений, свойств центра этой галактики Дева А, что там в центре на длине волны 1.3 мм необходимо ожидать значительное поглощение излучения. И даже если там есть черная дыра, что мы ожидали, если у нее есть тень, окружающий ее ореол, то, к сожалению, свет, который оттуда уходит из центра, будет поглощен плазмой, которая окружает, газом горячим, который окружает центр Девы А. Мы так предполагали, мы ожидали. Но было бы глупо не попробовать. А вдруг нам повезет, вдруг мы ошибаемся? Мы действительно попробовали. Наши наблюдения были проведены. В общей сложности, по-моему, мы около 15 раз наблюдали центр Девы А в проекте «Радиоастрон» на разных длинах волн, с разными целями, научными задачами. Получили великолепнейшее изображение вырывающегося релятивистского джета, этой горящей плазмы из центра. Самые первые наблюдения мы провели как раз на самой короткой длине волны (это было начала 2013 года) с самыми чувствительными наземными телескопами. Мы выбрали самые большие. Нам дали все необходимое наблюдательное время. Это были американские телескопы – GBT и VLA. Один по размеру стометровый, гигантский, очень чувствительный. Другой – это вообще сеть из 27 телескопов, эквивалент 130-метрового зеркала. Самые чувствительные. И мы ничего не получили.

Это означает, что, к сожалению, как мы и ожидали, излучение из центра Девы А поглощается. Поэтому, если вы хотите увидеть тень от черной дыры в Деве А, вам нужно а) иметь необходимое угловое разрешение б) к сожалению или к счастью, вам нужно уходить на более короткие длины волн наблюдений. И как раз сейчас мы скажем. До этого я не упоминал. Телескоп «Горизонт событий», этот наземный интерферометр работает на длине волны в 10 раз более короткой, чем самая короткая у «Радиоастрона» - 1.3 мм. Или примерно 230 ГГц.

Ольга Орлова: Но все-таки, Юрий, чтобы закончить тему «Радиоастрона», скажите, в какой стадии сейчас «Радиоастрон» находится, потому что было очень много важных событий, в общем, завершает ли проект свою работу или нет.

Юрий Ковалев: Мы ожидаем, что проект завершает свою работу, наступает май месяц 2019 года. С января наш телескоп, к сожалению, не выходит с нами на связь. Мы ожидаем в мае-июне заседание государственной комиссии Роскосмоса, которая примет, наверное, окончательное решение о завершении проекта. Посмотрим.

Соответственно, теперь ученых, с одной стороны, будут ожидать 3-5 лет обработки, анализа научных данных и публикации.

Ольга Орлова: То есть публиковаться вы будете еще очень долго?

Юрий Ковалев: Более того, предыдущий опыт показывает, что когда вы прекращаете наблюдать и начинаете только анализировать данные, то количество публикаций у вас, конечно же, увеличивается. И, с другой стороны, в дополнение к собственно анализу и публикациям того, что нам осталось, здесь действительно очень много интересного. Мы работаем над следующим шагом – проектом «Миллиметрон», который как раз будет реализовывать наземно-космический интерферометр на тех самых длинах волн, на которых видны центры активных галактик и как раз тени от черных дыр.

Ольга Орлова: А что же это означает? Когда заработает «Миллиметрон» и когда начнет свои наблюдения, или другие проекты, которые тоже будут искать тени от черных дыр, где же они их тогда будут искать?

Юрий Ковалев: В случае с «Миллиметроном» мы считаем, так как он будет иметь еще более высокое разрешение, он сможет увидеть тени от черных дыр не только в центре нашей галактики и в центре галактики Дева А, но и в центрах других галактик.

Ольга Орлова: А почему вообще это так важно – продолжать поиски черных дыр? Смотрите, мы получили доступное изображение той черной дыры, до которой мы смогли дотянуться. Положим, еще одно получим. А зачем это нужно дальше?

Юрий Ковалев: Сначала скажу, почему это важно сегодня. Почему результат, полученный нашими коллегами, так важен. По большому счету, он подтвердил, что наше понимание теории черных дыр, наши ожидания, что подобные объекты во Вселенной существуют, что мы можем использовать теорию черных дыр для объяснения большого количества событий и явлений, которые есть во Вселенной, для объяснения того, что происходит с центрами далеких галактик, объяснения того, почему мы видим гравитационные волны. Помните, слияние черных дыр, о чем мы говорили. Что это понимание справедливое. Это подтверждение, которое очень нам важно. Это позволяет нам двигаться дальше.

Ольга Орлова: Черные дыры вам сообщают: «Ученые, вы правы».

Юрий Ковалев: «Вроде бы вы правы», совершенно верно. Еще более важно будущее применение, будущее использование подобных данных для решения следующей задачи. Мы можем с помощью исследования сверхмассивных черных дыр, с помощью восстановления изображений ореола вокруг них, их тени, проверять Общую теорию относительности Эйнштейна. И нам это крайне важно. Потому что как только мы начнем видеть какие-то расхождения между результатами наших наблюдений и Общей теории относительности Эйнштейна, это позволит нам очень эффективно двинуться вперед и развивать постэйнштейновские теории, уже выходить на более сложный, более серьезный уровень. Но для этого нам не хватает тени от черной дыры в центре галактики Девы А. Для этого нам крайне нужна черная дыра в центре нашей галактики.

Ольга Орлова: Получается, что драйверами исследования черных дыр являются такие астрофизические постмодернисты, которых очень беспокоит теория относительности Эйнштейна, им хочется найти нечто другое.

Юрий Ковалев: Послушайте, мы уже 100 лет с ней живем. Надо двигаться дальше, правда?

Ольга Орлова: Огромное спасибо. Мы очень хотим, чтобы повод прийти сюда и рассказать о поимке новой черной дыры, чтобы этот повод случился как можно скорее.

Юрий Ковалев: Будем стараться.

Ольга Орлова: Спасибо большое. У нас в программе был член-корреспондент Российской академии наук Юрий Ковалев.


Подписаться на ОТР в Яндекс Дзене

Как ученым удалось заполучить снимки черной дыры

Комментарии

Влад
Количество ошибок,недопечатанных и пропущенных слов зашкаливает, что значительно снижает интерес к излагаемому .
  • Все выпуски
  • Яркие фрагменты