Space

Три сороміцьких питання про фотографії чорної діри

У астрономів (та й у всього людства) свято: представлений перший знімок чорної діри. Він був створений з використанням Event Horizon Telescope (EHT), віртуального телескопа, що складається з декількох радіотелескопів по всьому світу. Зображення демонструє матеріал навколо надмасивної чорної діри в центрі галактики на відстані 55 мільйонів світлових років. І так, чорна діра - це концентрована фізика, божевільні гравітаційні явища на межі можливого і неможливого, екстремальні умови. Але є кілька питань.

Чорну діру важко побачити, тому що вона чорна?

Ні. Тобто, так. Це правда: чорні діри - чорні. Зазвичай ми бачимо всякі зірки і все таке, тому що світло, яке вони випромінюють, доходить до наших телескопів (або прямо в наші очі), і ми його реєструємо. Чорні діри дійсно чорні. Вони не випромінюють видимого світла (через складні гравітаційних фокусів), тому їх не видно.

Але це не велика проблема. Якби чорна діра була у нас в Сонячній системі, ви б її побачили. Ви побачили б викривлення простору її присутністю і побачили б речовина, яке обертається навколо цієї воронки. Якщо ви бачили фільм «Інтерстеллар», в ньому приблизно точно показана візуалізація чорної діри - її робили за допомогою астрофізика Кіпа Торна.

Чорну діру важко побачити, тому що вонакрихітна. Ну, добре, не така крихітна, як мураха, наприклад. Вона крихітна в тому сенсі, що людина крихітний, якщо дивитися на нього з відстані кілометра. Кращим терміном буде кутовий розмір. Якщо ви повернете голову по колу, ви отримаєте круговий огляд на 360 градусів (але не забувайте повернути і тіло, а то шию звернете). Якщо ви будете тримати великий палець на відстані витягнутої руки, це приблизно півградуса кутового розміру. У Місяця приблизно такий же кутовий розмір, тому ви можете прикрити її великим пальцем.

Що ж щодо розмірів чорної діри? Так, вона величезна. А ще вона на відстані 55 мільйонів світлових років. Це означає, що для того, щоб світла дістатися так далеко, йому буде потрібно 55 мільйонів років. Це неймовірно далеко. Але в дійсно нам заважає кутовий розмір. У чорної діри (по крайней мере, її видимої частини) кутовий розмір - близько 40 мікроарксекунд.

Що таке мікроарксекунда? Як ви знаєте, коло розбитий на градуси (і вже давно). Кожен градус можна розбити на 60 кутових хвилин, а кожна хвилина - це 60 арксекунди. Якщо розбити арксекунди на мільйон частин, вийде мікроарксекунда. Пам'ятайте, що кутовий розмір Місяця - 0,5 градуса (якщо дивитися з Землі)? Це означає, що кутовий розмір Місяця в 45 мільйонів разів більше, ніж розмір чорної діри. Чорна діра крихітна з точки зору кутового розміру.

Але це ще не все. Через дифракції ми не можемо бачити речі крихітних кутових розмірів. Коли світло проходить крізь отвір (наприклад, потрапляє в телескоп або в око), він розсіюється. Він згинається таким чином, що заважає решті світу, що проходить через отвір. У випадку з оком, це означає, що люди можуть розібрати об'єкти з кутовим розміром близько 1 аркмінути.

І це так само означає, що щось настільки крихітних кутових розмірів, як чорна діра, складно зловити на фото.

Як подолати дифракційну межу?

Припустимо. Речі крихітних кутових розмірів дійсно важко розгледіти - як же нам тоді побачити матеріал навколо чорної діри? Кутовий дозвіл телескопа насправді залежить тільки від двох речей: розміру отвору і довжини хвилі світла. Використання менших довжин хвиль (таких як ультрафіолетової або рентгенівське випромінювання) дає краще дозвіл. Але в такому випадку телескоп використовує довжину хвилі світла в міліметровому діапазоні. Це досить велика довжина хвилі в порівнянні з видимим світлом, який знаходиться в діапазоні 500 нанометрів.

І це означає, що єдиний спосібподолати дифракційну межу - зробити телескоп побільше. Тобто, те, що зробили з Event Horizon Telescope. По суті, це телескоп розміром з Землю. Божевілля, але правда. Отримуючи дані з декількох телескопів в різних частинах світу, ви можете об'єднати дані, щоб перетворити їх в дані з одного ГІГАНТСЬКОГО телескопа. Правда, доведеться постаратися. Але і з цим методом є проблеми. Маючи всього кілька телескопів, група EHT використовує ряд аналітичних методів для створення найбільш ймовірного зображення із зібраних даних. Так їм вдалося «намалювати» матеріал навколо чорної діри.

Це реально фото чорної діри?

Якщо ви дивитеся в телескоп і бачите Юпітер, винасправді бачите Юпітер. Примітка: якщо ви ще цього не робили, обов'язково спробуйте. Це круто. Сонячне світло відбивається від поверхні Юпітера, а потім проходить через телескоп в ваш очей. Бум. Юпітер. Він реальний.

Але з чорною дірою все трохи не так. Зображення, яке ви бачите, навіть не у видимому діапазоні. Це радіозображень, створене з довжин хвиль світла. У чому ж різниця між радіохвилями та звичайним видимим світлом? Насправді, різниця тільки в довжині хвилі.

Світлові і радіохвилі - це електромагнітніхвилі. Це поширення мінливого електричного поля разом з мінливим магнітним полем (одночасно). Ці хвилі рухаються на швидкості світла - бо вони і є світло. Однак, оскільки радіо і видиме світло мають різні довжини хвиль, вони по-різному взаємодіють з речовиною. Якщо ви включите радіо вдома, ви отримаєте сигнал з найближчої радіостанції. Ці радіохвилі проходять прямо через стіни. А видимі - не проходять.

Те ж саме відноситься до зображень. Якщо у вас є видиме світло від об'єкта, ви можете побачити його своїм оком і записати це зображення на плівку або за допомогою цифрового реєстратора. Це зображення потім можна вивести на екран комп'ютера і, власне, розглянути. Приблизно так ви можете побачити знімок місяця.

Що стосується матеріалу навколо чорної діри, це невидиме зображення. Це радіозображень. Кожен піксель на знімку представляє певну довжину хвилі, але радіохвилі. Помаранчеві частини - це помилкове колірне представлення хвилі довжиною 1 міліметр. Те ж саме відбувається, коли ми хочемо «побачити» зображення в інфрачервоному або ультрафіолетовому діапазоні. Ми повинні перетворити ці довжини хвиль в те, що зможемо побачити.

Так що цей знімок чорної діри - не звичайна фотографія. Ви не зможете побачити її, якщо будете дивитися в телескоп. Але все одно здорово. Правда? Давайте обговоримо в нашому чаті в Телеграма.