Первый снимок чёрной дыры

10 апреля 2019 года учёные показали первый в истории снимок тени чёрной дыры — мистического объекта с горизонтом событий, которую удалось увидеть благодаря глобальному телескопу.

Десятого апреля две тысячи девятнадцатого года в разных городах мира одновременно начались пресс-конференции. На экранах появился тёмный круг, окружённый неровным оранжевым сиянием. Интернет сразу назвал его огненным бубликом, но для астрономов это был исторический кадр: первое изображение тени чёрной дыры в галактике Мессье восемьдесят семь.

Чёрная дыра — не космическая воронка в обычном смысле. Это область, где вещество сжато так сильно, что пространство и время вокруг него искривлены до предела. Граница, после которой уже ничто не возвращается наружу, называется горизонтом событий. Даже свет, самый быстрый гонец Вселенной, не может оттуда вырваться.

Поэтому чёрную дыру нельзя сфотографировать так, как Луну или Сатурн. Она сама не светится. Учёные видят не дыру, а её воздействие: раскалённый газ, который кружится вокруг, разгоняется почти до скорости света и ярко излучает в радиодиапазоне. На фоне этого света появляется тень — силуэт горизонта событий и области, где гравитация поглощает фотоны.

Чтобы разглядеть такую тень, нужен телескоп невероятного размера. В галактике М восемьдесят семь сверхмассивная чёрная дыра находится примерно в пятидесяти пяти миллионах световых лет от Земли. Её масса — около шести с половиной миллиардов масс Солнца, но на небе она всё равно кажется крошечной. Это как попытаться увидеть апельсин на Луне.

Так родился проект Event Horizon Telescope — Телескоп горизонта событий. Это был не один прибор, а сеть радиотелескопов, разбросанных по планете. В наблюдениях две тысячи семнадцатого года участвовали восемь станций: в Чили, Испании, Мексике, Аризоне, на Гавайях и даже у Южного полюса. Среди них были мощный комплекс ALMA в пустыне Атакама и телескоп South Pole Telescope в Антарктиде.

Идея звучала почти дерзко: заставить далёкие антенны работать как один телескоп размером с Землю. Метод называется интерферометрией со сверхдлинными базами. Каждая станция ловила радиоволны от чёрной дыры и ставила на записи точнейшие метки времени с помощью атомных часов. Потом эти сигналы можно было сравнить, будто части одного изображения в гигантской линзе.

Но случился неожиданный бытовой поворот. Данных оказалось около пяти петабайт — это миллионы гигабайт. Передать такой объём через интернет было слишком долго и ненадёжно. Поэтому записи складывали на жёсткие диски и отправляли самолётами в вычислительные центры в США и Германии.

С Антарктидой пришлось ждать. После окончания сезона полётов Южный полюс был отрезан от мира, и диски с телескопа лежали там до наступления подходящей погоды. В космической истории первого снимка нашлось место обычной логистике: багаж, рейсы, коробки, подписи, таможня.

Когда данные наконец собрали, началась вторая половина чуда — математика. Измерения были неполными: земной телескоп всё-таки не сплошное зеркало. Команды учёных независимо восстанавливали изображение разными методами, чтобы не подогнать результат под ожидания.

Имя Кэти Буман стало символом этой работы. Ещё до проекта она разрабатывала алгоритм CHIRP для восстановления изображений по разреженным данным, а затем участвовала в группе EHT, занимавшейся визуализацией. Важно: снимок создал не один человек. Его сделали сотни исследователей, инженеров и операторов телескопов, но фотография Буман, улыбающейся рядом с экраном, стала человеческим лицом огромного научного труда.

Картинка М восемьдесят семь сошлась у разных команд: яркое кольцо, снизу более светлое из-за движения газа и эффектов относительности, в центре — тёмная тень. Она подтвердила предсказания общей теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях.

А в две тысячи двадцать втором году EHT показал второй портрет — Стрелец A*, чёрную дыру в центре нашей Галактики. Она гораздо ближе, примерно в двадцати семи тысячах световых лет, и легче: около четырёх миллионов масс Солнца. Но снимать её было труднее, потому что газ вокруг неё меняется за минуты, словно объект постоянно шевелится во время съёмки.

Первый снимок чёрной дыры оказался не просто красивым пятном. Землю собрали в один инструмент, данные перевезли на жёстких дисках, и на экране проступило неровное оранжевое кольцо с тёмной серединой — край, за которым свет уже не возвращается.