Шеперду Долеману потребовалось почти десять лет, чтобы совершить невозможное. Будучи директором телескопа Event Horizon Telescope (EHT) - проекта, в котором участвуют сотни исследователей, - он потратил годы, летая с чемоданами, полными жестких дисков, по всему миру, чтобы координировать наблюдения между радиотелескопами на четырех континентах, включая Антарктиду. 9 апреля 2019 года коллаборация, наконец, опубликовала плоды своих трудов, и мир увидел первое изображение черной дыры.
Этот подвиг, который пионер в области теории черных дыр Джеймс Бардин назвал безнадежным в 1973 году, представлял собой выдающееся достижение астрономических технологий. Но как только обработка данных была закончена и шампанское выпито, сотрудничество EHT в некотором смысле напоминало собаку, поймавшую машину. "Всех немного удивило, что они так быстро получили такое хорошее изображение", - говорит Эндрю Стромингер, физик-теоретик из Гарвардского университета. "Шеперд и Майкл [Джонсон, астрофизик из Гарвард-Смитсоновского университета и координатор EHT] спрашивали меня об этом. 'Что нам с этим делать? Мы сделали снимок, и что теперь?".
Теперь Стромингер и междисциплинарная группа исследователей, включающая теоретиков, экспериментаторов и одного философа, вернулись с диким ответом, который появился на прошлой неделе в журнале Science Advances. Имея доступ к достаточно далекому телескопу, группа EHT смогла разглядеть многочисленные отражения света, исходящие от черной дыры. Выяснив точную картину в этих беспорядочных лучах, астрономы смогут напрямую измерить основные свойства черных дыр и проверить теорию гравитации Эйнштейна, как никогда раньше. В общем, они надеются, что черные дыры станут больше похожи на звезды и планеты: не просто объекты для размышлений, а для непосредственного наблюдения.
"Для меня эти объекты были просто уравнениями, которые я пытался представить себе математически в уме", - говорит Алекс Лупсаска, теоретик из Гарварда, работавший над исследованием. "Но теперь мы получаем их реальные изображения".
Команда провела карандашные и бумажные расчеты, используя общую теорию относительности Эйнштейна и моделирование с беспрецедентным разрешением, чтобы проанализировать, что черные дыры делают со светом. Предупреждение о спойлере: это становится странным. "Черные дыры просто лучшие во всем, что они делают", - говорит Лупсаска. И это включает в себя сгибание световых лучей в петли.
Будучи самыми плотными объектами, разрешенными законами физики, черные дыры обладают большой космической силой притяжения, и физикам давно известно, что эти бездны маскируют себя оболочками света. Там, где Земля может притянуть пролетающий мимо космический камень, вытянув его на несколько орбит, прежде чем он улетит в космос, черные дыры могут захватить настоящие частицы света. Все, что врезается в черную дыру, застревает в ней навсегда, но фотоны, которые проходят близко к границе, могут сделать несколько оборотов вокруг черной дыры. "Это искривленная природа пространства-времени перед вашим лицом", - говорит Лупсаска.
Стромингер, Лупсаска и их коллеги рассчитали конкретную структуру светлой оболочки и то, как она будет выглядеть с Земли.
Вот как это работает. Когда лучи света приближаются к черной дыре, ее страшная гравитация затягивает их на орбиту. Лучи, проходящие на определенном расстоянии, делают пол-оборота вокруг черной дыры, прежде чем вырваться в космос. Лучи, проходящие немного ближе, могут сделать полный круг, прежде чем вернуться туда, откуда пришли. Лучи, проходящие еще ближе, могут сделать полтора оборота, другие - два оборота и так далее. Каждая из этих бесконечных групп световых лучей может сформировать изображение (если они попадут в камеру или глазное яблоко), поэтому черная дыра может создать бесконечное число таких изображений. Стромингер сравнивает этот эффект с тем, как если бы он стоял между двумя зеркалами в универмаге и видел бы свои изображения, простирающиеся вдаль.
"В идеальном мире с идеальным телескопом вы бы смотрели на черную дыру и видели не только бесконечное число вложенных друг в друга изображений себя, но и всей Вселенной", - говорит он.
Но EHT, как и все телескопы, не совершенен. Кроме того, это не совсем телескоп, а интерферометр. Интерферометры работают путем сравнения наблюдений за удаленной точкой с двух разных точек. Чем дальше друг от друга находятся точки, тем более тонкие особенности объекта они могут различить. Поскольку последовательные отражения от черных дыр (которые для наблюдателя выглядят как кольца) становятся все тоньше и тоньше, астрономам необходимо задействовать более удаленные обсерватории, чтобы увидеть их. К сожалению, с объектами на Гавайях, в Чили, Испании и на южном полюсе, EHT не хватает места. "Они уже использовали всю Землю только для того, чтобы увидеть первое изображение", - говорит Стромингер.
Чтобы обнаружить кольца отражения, EHT придется пойти еще дальше. В конце концов, заключают авторы исследования, коллаборация должна добавить к своей сети космическую обсерваторию. Достаточно будет и одной. Спутник, вращающийся вокруг Земли, мог бы четко увидеть первое кольцо, а аппаратура, вращающаяся вокруг Луны, - второе. Если бы удалось доставить космический аппарат в точку между Землей и Солнцем, известную как вторая точка Лагранжа (место назначения будущего космического телескопа Джеймса Уэбба), то можно было бы разглядеть первые три кольца. Такая миссия может стоить несколько сотен миллионов долларов - дорого, но не так дорого, как самые крупные научные проекты. "Это то, что когда-нибудь кто-нибудь сделает", - говорит Лупсаска. "Это просто вопрос времени".
За эту кучу денег астрофизики приобрели бы множество знаний о черных дырах. Наблюдение колец сразу же послужило бы первым испытанием общей теории относительности в среде с гравитацией, достаточно сильной, чтобы согнуть световые лучи в полноценные петли. Способ сужения колец очень точен, поэтому любое отклонение будет сигналом о том, что происходит что-то странное. "Здесь нет места для маневра", - говорит Лупсаска. "Вы отправляетесь туда и проводите измерения, и они либо соответствуют теории, либо нет".
Мало кто из теоретиков ожидает, что самая успешная теория Эйнштейна будет разрушена. Скорее, их больше волнует то, что кольца могут рассказать о двух черных дырах, расположенных достаточно близко, чтобы их можно было изобразить таким образом. У астрономов есть несколько способов измерения основных свойств черной дыры, таких как ее масса и вращение, но для этого им приходится делать много предположений. Узор кольца зависит только от черной дыры, не имея ничего общего со светящейся плазмой и обломками поблизости, поэтому такие наблюдения могут дать физикам более чистый способ ответить на самые основные вопросы об этих загадочных объектах.
И этот анализ - только начало. После того, как работа была опубликована прошлым летом (не пройдя рецензирования), она вызвала шквал последующих исследований, поскольку физики бросились уточнять теорию. "Это подчеркнуло, что есть много классных деталей, которые мы еще не изучили, и заставило нас с волнением ждать возможных новых сигнатур", - говорит Элизабет Химвич, аспирантка из Гарварда, которая анализировала, как тип света меняется от одного кольца к другому.
Лупсаска сравнивает предстоящие усилия с первыми днями биологии. "Прежде чем вы захотите понять, как составить последовательность ДНК и использовать CRISPR для копирования и редактирования ДНК, сначала вы выйдете в лес и скажете: "Это дерево, это цветок", - говорит он. "Именно на этом этапе мы находимся с физикой черных дыр как экспериментальной наукой".