Что на самом деле видно на снимках чёрной дыры

В апреле 2019 года весь мир облетело изображение оранжевого кольца с тёмной серединой. Подпись под ним была короткой: чёрная дыра в галактике M87. Через три года показали похожее кольцо, но уже из центра Млечного Пути.

Самое забавное тут вот что. На обеих картинках нет самой чёрной дыры. Мы физически не можем её увидеть, потому что она не выпускает свет. В кадр попало свечение вещества вокруг и тёмный провал, куда это вещество проваливается.

Почему саму дыру увидеть нельзя

Чёрная дыра притягивает к себе так сильно, что рядом с ней не может вырваться даже свет. Всё, что перелетает невидимую границу под названием горизонт событий, исчезает для внешнего наблюдателя навсегда. Ни отражения, ни сигнала, ни картинки оттуда не придёт.

Поэтому астрономы смотрят не на дыру, а на её окружение. Вокруг горизонта событий крутится раскалённый газ. Он разгоняется почти до скорости света, трётся сам о себя и светится в радиодиапазоне. Вот это свечение и ловит телескоп.

Откуда взялось оранжевое кольцо

На снимке M87* видно яркое кольцо и тёмную область внутри. Тёмная область это не сама дыра, а её тень. Гравитация настолько искривляет лучи света, что вокруг дыры возникает зона, откуда свет до нас не доходит. Она примерно в два с половиной раза больше горизонта событий.

Яркое кольцо это свет от газа, который вращается вокруг. Но кольцо выглядит неровным. Одна сторона заметно ярче другой. Это не дефект съёмки, а реальная физика. Вещество, которое движется к нам, кажется ярче, а то, что уходит от нас, тусклее. Эффект называется доплеровским усилением, и по нему можно понять, в какую сторону крутится диск.

Почему снимки такие размытые

Снимки выглядят так, будто их сняли через грязное стекло. И это недалеко от правды. Чтобы разглядеть объект размером с Солнечную систему на расстоянии в десятки миллионов световых лет, нужен телескоп размером с Землю. Построить такой нельзя, но можно сделать виртуальный.

Event Horizon Telescope это сеть радиотелескопов по всему миру. Они одновременно смотрят в одну точку и записывают данные. Потом эти записи свозят на суперкомпьютеры и синхронизируют с точностью до долей секунды. Получается один гигантский виртуальный глаз.

Но даже у такого глаза есть предел. Данных не хватает, чтобы восстановить картинку полностью. Поэтому изображение собирают специальными алгоритмами, которые выбирают наиболее правдоподобный вариант из множества возможных. Именно поэтому снимок M87* больше похож на размытое пятно, чем на чёткую фотографию.

Чем снимок Стрельца A* отличается от M87*

Стрелец A* находится в центре нашей Галактики, всего в двадцати семи тысячах световых лет от Земли. Он гораздо ближе, чем M87*, но при этом в тысячу раз меньше по массе. И это создаёт отдельную головную боль для астрономов.

Газ вокруг Стрельца A* вращается очень быстро. За то время, пока телескопы собирают данные, картинка успевает измениться. Поэтому снимок 2022 года пришлось собирать буквально по кусочкам, как пазл из разных дней наблюдений.

В итоге кольцо у Стрельца A* получилось более рыхлым и неоднородным. Оно не такое яркое и чёткое, как у M87*. Но именно это сходство двух объектов из разных галактик стало главным подтверждением того, что общая теория относительности работает и в таких экстремальных условиях.

Что мы увидим дальше

Следующая цель астрономов это не просто получить картинку, а снять видео. Уже сейчас телескопы добавляют новые станции, чтобы улучшить разрешение. В планах расширить сеть на орбиту, чтобы получить ещё более чёткое изображение.

А ещё учёные хотят увидеть тень чёрной дыры в поляризованном свете. Это покажет структуру магнитного поля рядом с горизонтом. Первые такие данные уже есть, и они выглядят как закрученные спирали вокруг кольца.

Так что чёрная дыра остаётся невидимой. Но то, что мы видим вокруг неё, с каждым годом становится всё более детальным. И это уже само по себе неплохо.