Как увидеть черную дыру?

Полученное на прошлой неделе усилиями восьми телескопов и тринадцати институтов изображение черной дыры оказалось размытым и менее интересным, чем рисунки художников, поэтому историческое событие породило множество иногда ехидных мемов (если вдруг не видели: пончик, око Саурона, котик, котики, маркетинг). Как мы можем увидеть черные дыры в хорошем качестве и при этом реалистично?

Реальность

Минувшая неделя показала, что изображение черной дыры можно получить, объединив несколько телескопов в разных частях земного шара в интерферометр со сверхдлинной базой и потратив большое количество машинного и человеческого времени на обработку полученных данных.

Изображение Event Horizon Telescope Collaboration

Чем больше расстояние между телескопами, объединенными в интерферометр, тем выше разрешение. 20 угловых микросекунд Event Horizon Telescope сравнивают с чтением газеты в Нью-Йорке из Парижа. Сверхмассивная черная дыра в галактике М87 имеет диаметр 40 миллиардов километров, ее тень, видимая как черное отверстие в центре, в 2,5 раза больше (100 миллиардов), а вокруг вращается аккреционный диск поглощаемого газа еще в несколько раз шире. Поэтому черную дыру смогли разглядеть с гигантского расстояния в 55 миллионов световых лет.

Несмотря на то, что черная дыра поглощает все, залетевшее за горизонт событий, ее можно заметить, изучая поведение вещества снаружи этого горизонта. Наблюдая за движением звезд в течение десятилетий, можно увидеть, как в центре нашей галактики они вращаются вокруг какого-то тяжелого, но невидимого объекта.

Изображение Keck/UCLA

Аккреционный диск черной дыры порождает релятивистские струи (джеты) - выбрасываемые с почти световой скоростью потоки плазмы. Вот, например, совмещение изображений в видимом ("Хаббл") и радиодиапазоне джета галактики Hercules A.

Изображение NASA

А джет, исходящий из центра галактики Centaurus A, больше, чем сама галактика.

Изображение CXC/NASA и ESO

Выбросы могут быть и другой формы. Вот два "чиха" предположительно черной дыры в 26 миллионах световых лет от нас в рентгеновском диапазоне.

Изображение NASA

Еще один вариант - посмотреть на изменение траектории света, проходящего вблизи черной дыры. Из-за искривления пространства его путь меняется, и возникает эффект гравитационного линзирования, благодаря которому мы видим один и тот же объект повторенным на небе несколько раз. Особенно наглядно получается, когда галактика линзирует квазар (сверхмассивную черную дыру) - на небе возникает "крест Эйнштейна".

Изображение NASA

2016 год подарил нам возможность еще и услышать черные дыры. Преобразованные в слышимый человеческому уху диапазон гравитационные волны от слияния двух черных дыр дополняют визуальные красоты выше.

[media=https://youtu.be/TWqhUANNFXw]

Кино

Там, где пока пасует реальность, на помощь приходит кино. На наше счастье режиссеры не ленятся приглашать настоящих ученых в качестве научных консультантов, и нарисованные объекты получаются весьма реалистичными. Вышедший в 2014 году "Интерстеллар" мог похвастаться очень качественным изображением сверхмассивной черной дыры, созданном на базе уравнений, написанных физиком Кипом Торном.

Кадр из фильма

[media=https://youtu.be/nyYEYzQ77Es]

А создатели появившейся в прошлом году картины "Высшее общество" привлекли французского астрофизика Орельена Барро. Результат оказался гораздо ближе к изображению Event Horizon Telescope, чем у "Интерстеллара".

Кадр из фильма

[media=https://youtu.be/AtOwfo1ypOw]

Спорить, кто из ученых более прав, нет смысла - оба изображения показывают научно корректные явления гравитационного линзирования и аккреционного диска. Кстати, первое изображение черной дыры было создано еще в 1979 году французским астрофизиком Жаном-Пьером Люминэ при помощи компьютера и, что совершенно неудивительно, похоже как на оба выше, так и на полученное на прошлой неделе фото реальной черной дыры.

Виртуальность

А если кому-нибудь мало просто смотреть и хочется большей интерактивности, например, полетать вокруг черной дыры самостоятельно, то для этого лучше всего подойдет бесплатный планетарий-песочница Space Engine. Оказаться возле черной дыры в центре M87 там - дело пары минут. Находим галактику, нажимаем Ctrl+Shift+G, вуаля, мы на месте.

Делаем скриншот, немного играем с яркостью и цветом, и у нас есть почти точная копия реального изображения.

А поскольку в Space Engine можно виртуально летать по всей Вселенной, энтузиасты не только посмотрели на M87, но и нашли гораздо более красивые кадры.

Черная дыра в центре M87