Успехи, достигнутые общей теорией относительности за более чем 50 лет, - это дань творческому и бунтарскому гению Альберта Эйнштейна. Но эти успехи также основаны на все более строгих тестах, и одна из последних проблем связана с изображениями сверхмассивной черной дыры M87*, которые начинает доставлять телескоп Event Horizon. Мы даже начинаем снимать фильмы о его деятельности.
Эйнштейн энергично, правильно и неоднократно указывал, что наука зиждется на свободном создании концепций и теорий и что не существует логического дедуктивного пути, метода, ведущего от данных опыта к созданию научной теории, вопреки тому, что утверждают некоторые позитивистские концепции логического эмпиризма. В этом смысле, и история науки в достаточной мере это подтверждает, от Кеплера до Шредингера, включая Ньютона и Эйнштейна, можно использовать все источники вдохновения, и нередко можно найти глубокие архетипы - источники величайших научных и рациональных достижений, которые, в свою очередь, будут резонировать с этими архетипами, как хорошо знал Вольфганг Паули.
Но Эйнштейн, несомненно, также согласился бы с утверждениями Ричарда Фейнмана, описывающими его концепцию и практику теоретической физики: «Игра, в которую я играю, очень интересна. Это воображение в смирительной рубашке, которое выглядит следующим образом: оно должно соответствовать известным законам физики (...). Требуется воображение, чтобы подумать о том, что возможно, затем требуется сканирование, чтобы увидеть, разрешено ли это в соответствии с тем, что известно. Действительно, существует логика научных открытий, основанная на методах, которые, безусловно, могут быть пересмотрены и подвергнуты критическому рациональному обсуждению, как понимал Карл Поппер, но которые нельзя игнорировать.
Телескоп Event Horizon - инструмент для проверки теории черных дыр
Фотография джета Мессье 87, выходящего из центральной черной дыры гаалактики
Общая теория относительности с ее космологическими моделями и теорией черных дыр, несомненно, является хорошим примером этих соображений, влияющих как на эпистемологию, так и на греческую философию и искусство, и это правда, что концепции пластичного пространства-времени и черной дыры очаровывают человеческий разум. Для исследования и, прежде всего, тестирования, последний требовал всего арсенала технологий и методов обработки данных современной науки, от лазеров до глубокого обучения.
Мы помним, что сильные аргументы в пользу существования черных дыр и точности теории, описывающей их, были приведены в ходе наблюдений коллаборации Event Horizon Telescope (EHT), которая в 2019 году показала первое изображение этого которая выглядит как сверхмассивная черная дыра в галактике M87. Это изображение, которое как бы показывает тень горизонта событий черной дыры M87 * в отличие от ее аккреционного диска и того, что называется фотонной сферой, было получено в последние годы. путем объединения наблюдений, сделанных радиотелескопами по всему миру. Это знаменитый метод синтеза апертуры с помощью интерферометрии, который позволяет создать виртуальный радиотелескоп размером с Землю или почти из гораздо меньших радиотелескопов, разбросанных по континентам.
Было обнаружено, что это наблюдение полностью согласуется с новаторским численным моделированием, проведенным Жан-Пьером Люмине в конце 1970-х годов, чтобы показать, что наблюдатели могут ожидать увидеть при попытке визуализировать черную дыру. и его окружение с аккреционным диском.
Презентация работы коллаборации EHT, когда в 2019 году было обнаружено первое изображение M87 *.
Мерцание аккреционного диска черной дыры под камерой EHT
На этом глубоком снимке проявился гигантский ореол эллиптической галактики М87. Световой поток и перемещение планетарных туманностей – оставшиеся признаки присутствия средней галактики, поглощенной М87. В правом верхнем углу можете заметить две галактики, именуемые «Глаза».
Члены EHT заявляют, что они пошли еще дальше, получив несколько изображений, разнесенных на несколько лет и позволяющих сделать кинодебют этого мероприятия. черной дыры с ее турбулентной плазмой.
Содержание этой работы комментируется в заявлении EHT Collaboration в следующих условиях его старшим редактором Мациком Вильгусом, астрономом Гарвардского и Смитсоновского центра астрофизики и ведущим автором статьи: «В прошлом году мы увидел теневое изображение черной дыры, состоящее из яркого серпа, образованного горячей плазмой, вращающейся вокруг M87 *, и темной центральной части, где мы ожидаем горизонта событий черной дыры является.
Но эти результаты были основаны только на наблюдениях, сделанных в течение одной недели в апреле 2017 года, что слишком мало, чтобы увидеть большие изменения. По результатам прошлого года мы задали следующие вопросы: соответствует ли морфология в форме полумесяца архивным данным? Указывают ли архивные данные на аналогичный размер и ориентацию полумесяца? "
Действительно, с 2009 по 2013 год M87 * наблюдалась прототипами EHT с помощью радиотелескопов, расположенных в трех географических точках в 2009-2012 годах и четырех точках в 2013 году. В 2017 году EHT, наконец, использовал инструменты, обнаруженные в пяти различных географических точках по всему миру.
«Благодаря невероятному угловому разрешению EHT мы могли наблюдать за игрой в бильярд на Луне, не теряя из виду счет! - вспоминает Мацек Вельгу. Он и его коллеги воспользовались накопленным опытом при разработке инструментов для извлечения информации из наблюдений, датируемых до 2017 года.
Снимки черной дыры M 87 *, полученные с помощью геометрического построения изображений / моделирования и телескопа EHT в период с 2009 по 2017 год. Диаметр всех колец одинаков, но расположение яркой стороны меняется. Изменение толщины кольца, вероятно, нереально и является результатом ограниченного числа радиотелескопов в предыдущих экспериментах.
Энергия струи галактики М87. Это свечение создается благодаря синхротронному излучению. Впервые высокоэнергетические электроны, перемещающиеся по спиральному пути вдоль магнитного поля, заметил Джеффри Бурбиджей в 1956 году. До этого Ханнес Альфвен и Николай Герлофсон (1950), а также Иосиф Школвский (1953) предсказывали их существование.
Релятивистские астрофизики теперь будут знать, опять же из пресс-релиза EHT, что изображения M87 * все еще соответствуют предсказаниям общей теории относительности.
Например, Кадзу Акияма, радиоастроном NRAO в обсерватории Хейстэк Массачусетского технологического института и член коллаборации, объясняет: «В этом исследовании мы показываем, что общая морфология или наличие асимметричного кольца, скорее всего, сохраняется в масштабах от раз в несколько лет. Последовательность наблюдений за несколько эпох дает нам больше уверенности, чем когда-либо, в природе M87 * и происхождении тени ».
Однако, если диаметр фотонного кольца оставался постоянным, распределение интенсивности его света со временем менялось, что к их восторгу удивило исследователей. Напомним, что газ, падающий на черную дыру, нагревается до миллиардов градусов, ионизируется и превращается в турбулентную плазму в присутствии магнитных полей.
Для Мацика Вильгуса и его коллег это будет рассматриваться как проявление характеристик аккреции вещества черной дырой: «Поскольку поток вещества турбулентен, кажется, что кольцо со временем раскачивается. На самом деле мы видим там много колебаний, и не все теоретические модели аккреции допускают их. Это означает, что мы можем начать исключать некоторые модели, основываясь на динамике наблюдаемых источников».
Более того, точно так же, как мы используем движения звезд вокруг центральной черной дыры Млечного Пути для проверки альтернатив релятивистской теории гравитации Эйнштейна, эти колебания позволят нам сделать то же самое, по крайней мере, с M87 *. Будущее в этом вопросе выглядит светлым, если мы представим себе десятилетие новых данных с еще более мощными инструментами, доставляющими изображения для, вероятно, захватывающих фильмов о деятельности других сверхмассивных черных дыр.
Оставим последнее слово за Джеффри Бауэром, также участником коллаборации EHT и исследователем из Academia Sinica, Института астрономии и астрофизики (Asiaa): «Мониторинг M87 * с помощью обширной сети EHT предоставит новые возможности. гораздо более богатые изображения и наборы данных для изучения турбулентной динамики. Мы уже работаем над анализом данных наблюдений 2018 года, полученных с помощью дополнительного телескопа, расположенного в Гренландии. В 2021 году мы планируем увидеть еще два объекта, обеспечивающие исключительное качество изображения. Это действительно захватывающее время для изучения черных дыр».