Астрономите (и цялото човечество) имат празник: представя се първата снимка на черна дупка. Той е създаден с помощта на Event Horizon Telescope (EHT), виртуален телескоп, съставен от няколко радиотелескопа по целия свят. Изображението показва материал около свръхмасивна черна дупка в центъра на галактика на 55 милиона светлинни години. И да, черна дупка е концентрирана физика, щури гравитационни явления на прага на възможните и невъзможните екстремни условия (можете да прочетете повече за това как работят черните дупки тук). Но има няколко въпроса.
Трудно ли се вижда черна дупка, защото е черна?
Не. Тоест, да. Вярно е: черните дупки са черни. Обикновено виждаме всякакви звезди и всичко, защото светлината, която излъчват, достига до нашите телескопи (или право в очите ни), и ние я регистрираме. Черните дупки са наистина черни. Те не излъчват видима светлина (поради сложни гравитационни трикове), така че не могат да бъдат видени.
Но това не е голям проблем. Ако имахме черна дупка в нашата слънчева система, щеше да я видите. Ще видите кривината на пространството по неговото присъствие и ще видите веществото, което се върти около тази фуния. Ако сте гледали филма Interstellar, той грубо показва визуализация на черна дупка - това е направено с помощта на астрофизик Кип Торн.
Черната дупка е трудно да се види, защото е мъничка. Е, добре, не е толкова мъничко като мравка, например. Тя е мъничка в смисъл, че човек е мъничък, когато се гледа от разстояние от километър. Най-добрият термин би бил ъглов размер. Ако завъртите главата си в кръг, ще получите 360-градусов изглед навсякъде (но не забравяйте да завъртите и тялото си, иначе ще огънете врата си). Ако държите палеца си на дължината на ръката, това е около половин градусов ъглов размер. Луната има приблизително същия ъглов размер, така че можете да я покриете с палец.
Какво ще кажете за размера на черната дупка? Да, тя е огромна. Освен това е на 55 милиона светлинни години. Това означава, че ще отнеме 55 милиона години, докато светлината ще пътува дотук. Невероятно е далеч. Но ъгловият размер наистина ни пречи. Черната дупка (поне видимата й част) има ъглов размер около 40 микросекунди.
Какво е микроаркссекунда? Както знаете, кръгът се разгражда на градуси (и е от дълго време). Всяка степен може да бъде разбита на 60 дъгови минути, а всяка минута е 60 дъгови секунди. Ако разделите дъга на милион части, получавате микросекунда. Помнете, че ъгловият размер на Луната е 0,5 градуса (както се гледа от Земята)? Това означава, че ъгловият размер на Луната е 45 милиона пъти по-голям от размера на черна дупка. Черната дупка е мъничка по отношение на ъгловия размер.
Промоционално видео:
Но това не е всичко. Поради дифракцията не можем да видим неща с малки ъглови размери. Когато светлината преминава през отвор (например през телескоп или в окото), тя се разпръсва. Той се огъва по такъв начин, че да пречи на останалата светлина, преминаваща през дупката. В случая на окото това означава, че хората могат да изградят предмети с ъглов размер около 1 дъгова минута.
А това също означава, че нещо толкова мъничко като черна дупка е трудно да се заснеме в снимка.
Как да преодолеем дифракционната граница?
Да признаем. Нещата с малки ъглови размери наистина са трудни за разбиране - как тогава да виждаме материала около черна дупка? Ъгловата разделителна способност на телескоп наистина зависи само от две неща: от размера на отвора и дължината на вълната на светлината. Използването на по-къси дължини на вълната (като ултравиолетово или рентгеново лъчение) дава по-добра резолюция. Но в този случай телескопът използва дължината на вълната на светлината в милиметровия обхват. Това е доста голяма дължина на вълната в сравнение с видимата светлина, която е в обхвата от 500 нанометра.
А това означава, че единственият начин за преодоляване на дифракционната граница е да направим телескопа по-голям. Точно това направиха с телескопа Event Horizon. По принцип това е телескоп с размерите на Земята. Лудост, но вярно. Събирайки данни от множество телескопи в различни части на света, можете да комбинирате данните, за да ги превърнете в данни от един телескоп GIANT. Вярно, трябва да опитате. Но има и проблеми с този метод. Само с няколко телескопа екипът на EHT използва редица аналитични техники, за да създаде най-вероятното изображение от събраните данни. Така те успяха да „нарисуват“материал около черната дупка.
Това истинска снимка на черна дупка ли е?
Ако погледнете през телескоп и видите Юпитер, всъщност виждате Юпитер. Забележка: Ако все още не сте го направили, не забравяйте да го опитате. Това е яко. Слънчевата светлина отскача от повърхността на Юпитер и след това пътува през телескоп в окото ви. Boom. Юпитер. Той е истински.
Но с черна дупка нещата са малко по-различни. Изображението, което виждате, дори не е във видимия диапазон. Това е радио изображение, създадено от светлинните дължини на вълните. Каква е разликата между радиовълните и обикновената видима светлина? Всъщност разликата е само в дължината на вълната.
Светлинните и радиовълните са електромагнитни вълни. Това е разпространението на променящото се електрическо поле заедно с променящото се магнитно поле (едновременно). Тези вълни пътуват със скоростта на светлината - защото са светлина. Тъй като радиото и видимата светлина имат различна дължина на вълната, те взаимодействат с материята по различен начин. Ако включите радиото у дома, ще получите сигнал от най-близката радиостанция. Тези радиовълни пътуват право през стените. А видимите не минават.
Същото важи и за изображенията. Ако имате видима светлина от обект, можете да го видите с окото си и да запишете това изображение на филм или с цифров рекордер. След това това изображение може да бъде показано на компютърен екран и всъщност да се гледа. Ето как можете да видите снимка на Луната.
Що се отнася до материала около черната дупка, това не е видимо изображение. Това е радио изображение. Всеки пиксел в изображението представлява определена дължина на вълната, но радиовълни. Оранжевите части са фалшиви цветни изображения на 1 милиметрова вълна. Същото се случва, когато искаме да "видим" изображение в инфрачервения или ултравиолетовия диапазон. Трябва да преобразуваме тези дължини на вълните в това, което можем да видим.
Така че тази снимка на черна дупка не е обикновена снимка.
Иля Кел