Активные галактические ядра обычно занимают около сотой долю процента от всего объема тех галактик, в которых они находятся, а мощность их излучения может порой в тысячи раз превосходить мощность излучения всей остальной галактики. Вследствие такого интенсивного энерговыделения активные галактические ядра по праву занимают важное место в астрофизике и являются во многих смыслах настоящими маяками во Вселенной, так как используются не только как объекты изучения, но и как инструменты для рассмотрения всей Вселенной как целого. Согласно наиболее популярной модели, в центре активных галактик находятся массивные компактные объекты — черные дыры. Однако существуют и альтернативные гипотезы, в которых место черных дыр занимают подчас по-настоящему экзотические объекты, выходящие за рамки стандартной физической теории. Именно поэтому особое значение приобретает получение достоверного экспериментального ответа на вопрос о существовании черных дыр. Одним из наиболее перспективных методов для поиска такого ответа, а также для исследования активных галактических ядер и массивных компактных объектов в этих ядрах, являются наблюдения на интерферометрах со сверхдлинными базами.
О наиболее актуальных задачах в этой области астрофизики мы поговорили с визит-профессором МФТИ Андреем Лобановым, сотрудником германского Института радиоастрономии Общества Макса Планка и соавтором первой фотографии черной дыры в М87, полученной с помощью Телескопа горизонта событий.
Изображение тени черной дыры в галактике М87 в сравнении с размерами орбиты Плутона вокруг Солнца и современным удалением от Солнца американского межзвездного зонда Войяджер-1 © Randall Munroe/XKCD
- Расскажите, чем вы занимаетесь?
Мы занимаемся изучением активных галактик и сверхмассивных черных дыр с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. В этом методе радиоастрономических измерений используются одновременные наблюдения космических объектов на нескольких радиотелескопах и по полученным корреляциям между сигналами, зарегистрированными на различных антеннах, восстанавливается изображение, которое можно было бы получить только с помощью телескопа с диаметром, примерно равным максимальному расстоянию между антеннами, участвовавшими в наблюдениях. Например, использование коррелированных сигналов, полученных на двух антеннах, находящихся на расстоянии 1 км друг от друга, даст эффект, подобный проведению наблюдения телескопом с диаметром 1 км. В российском проекте «Радиоастрон» одна из антенн была запущена на орбиту с апогеем в 330 тыс. км и работала совместно с десятками наземных радиотелескопов. В результате этих наблюдений получался виртуальный телескоп, у которого максимальное угловое разрешение достигало 10 микросекунд дуги (около трех миллиардных долей градуса), что в настоящее время является абсолютным рекордом в астрономии и более чем в тысячу раз превосходит угловое разрешение орбитального оптического телескопа «Хаббл». При таком рекордном угловом разрешении было бы возможно, к примеру, различить двухрублевую монету, лежащую на поверхности Луны. А в случае с активными ядрами галактик это позволяет наиболее детально изучать физические процессы, происходящие в самой непосредственной близости от горизонта событий их сверхмассивных черных дыр.
- Какие задачи сейчас являются наиболее актуальными?
В настоящее время одной из наших основных задач в рамках работы Телескопа горизонта событий является продолжение картографирования ближайших окрестностей черной дыры в галактике М87. Размер области, которую мы прокартографировали, примерно в 5–10 раз больше, чем размер горизонта событий у этой черной дыры, и это та область пространства, где наиболее явственно проявляется эффект сильного гравитационного линзирования света. Из-за экстремально большой кривизны пространства вблизи горизонта событий возникает ситуация, когда свет, проходящий рядом с черной дырой, не просто отклоняется, а совершает один или даже несколько витков вокруг нее. Первое изображение черной дыры внутри галактики М87, та всем теперь известная картинка «бублика» или «тени черной дыры», как раз и является результатом такого сильного гравитационного линзирования света вблизи горизонта событий черной дыры.
Другой важной для нас задачей является изучение высокоэнергетических процессов в джетах — коллимированных струях релятивистской плазмы, которые образуются в результате выпадения вещества на сверхмассивные черные дыры и ускоряются практически до скорости света. В процессе выпадения на черную дыру вещество разогревается и превращается в сильно ионизованную плазму, состоящую в основном из протонов, электронов и позитронов. В результате разогрева и взаимодействия с магнитным полем в окрестности черной дыры часть этой плазмы образует коллимированную струю — джет. Плазма в окрестности черной дыры и в джете излучает в широком диапазоне волн от радио до гамма, и есть предположение, что процессы, происходящие в этой плазме, также могут приводить к образованию космических нейтрино. На обнаружение и изучение космических нейтрино сейчас направлены усилия многих инструментов, включая нейтринные телескопы Ice Cube на Южном полюсе, «Антарес» в Средиземном море и российский телескоп на озере Байкал. Поиски возможной связи между релятивистской плазмой в джетах, гамма-излучением и космическими нейтрино занимают центральное место в тематике исследований в лаборатории релятивистской астрофизики МФТИ, в которой я работаю в качестве визит-профессора.
Однако, пожалуй, самым интересным и захватывающим, на мой взгляд, научным вопросом в области физики активных галактических ядер сейчас становится доказательство существования горизонта событий и, как следствие, самих черных дыр. Дело в том, что обнаружение гравитационной «тени черной дыры» в галактике М87 не является абсолютно неоспоримым аргументом в пользу того, что центральный массивный объект в этой галактике должен оказаться именно черной дырой. Существуют альтернативные модели, в которых практически такая же «тень» возникает около более экзотических объектов, например таких, как кротовые норы или гравастары. В своем каноническом представлении, получаемом в рамках общей теории относительности, вся материя внутри горизонта событий черной дыры должна схлопываться в сингулярность с бесконечно высокой плотностью и температурой. Однако это приводит к большому числу как физических, так и математических противоречий, и потому разумно предполагать, что окончательный коллапс материи в точечную сингулярность должен быть предотвращен каким-то пока неизвестным нам процессом или фактором. Именно на этом и основываются практически все предлагаемые альтернативные модели. Например, пожалуй, наиболее экзотичная модель гравастаров предполагает, что окончательный коллапс предотвращается темной энергией, заключенной в пространстве внутри горизонта событий. В результате коллапсирующая материя формирует тонкую оболочку, удерживаемую давлением темной энергии от перехода под горизонт событий. В таком случае вместо сингулярности, скрываемой от нас горизонтом событий, мы будем наблюдать компактный объект с физической поверхностью и размером, лишь на малую величину превышающим размер горизонта событий. Несмотря на очевидную необычность такой конструкции, математики и теоретические физики уже в достаточной степени уверены, что она вполне может быть стабильна в нашем пространстве. Очевидно, что нам необходимы более точные и надежные измерения, которые позволили бы сказать, какая из всех ныне рассматриваемых моделей наиболее близка к реальности. Для того, чтобы попытаться ответить на этот вопрос напрямую по распределению яркости на «тени черной дыры», нужно как минимум в 30–50 раз улучшить качество изображений, получаемых с помощью Телескопа горизонта событий. Это является весьма непростой задачей и одним из основных направлений модернизации этого инструмента.
- Есть ли другие способы доказать или опровергнуть существование горизонта событий?
Одним из возможных способов проверки существования горизонта событий является использование иных индикаторов, которые могут быть настолько же эффективны, но не потребуют такой затраты ресурсов, которая понадобится для модернизации Телескопа горизонта событий. Интересно обратить внимание на тот момент, что так же, как и в случае с гравастарами, практически во всех альтернативных моделях по той или иной причине не происходит формирование горизонта событий. В этом случае после завершения коллапса остается объект с физической поверхностью. Если такой поверхности нет (как в случае канонической черной дыры), то силовые линии магнитного поля уходят вместе с веществом под горизонт событий, и в результате собственное поле черной дыры становится очень слабым, и в окрестностях черной дыры должно преобладать поле, генерируемое в аккреционном диске, которое, согласно многим оценкам, не должно превышать значений порядка 104 Гаусс.
В случае, когда вместо черной дыры мы имеем дело с компактным массивным объектом с физической поверхностью, линии магнитного поля должны будут закрепляться на этой поверхности, и ожидаемая сила магнитного поля может достигать значений, сопоставимых с полями в пульсарах и на много порядков величины превышающих максимальную силу магнитного поля в аккреционных дисках.
В такой ситуации поле центрального объекта будет доминировать вплоть до масштабов, в 100–1000 раз превышающих размер горизонта событий и хорошо доступных для измерений с интерферометрами со сверхдлинными базами. Таким образом, если удастся измерить силу и распределение магнитного поля вблизи центральных объектов в активных галактических ядрах, то можно будет сделать вывод о том, превышает ли это поле максимальные оценки для поля в окрестности черной дыры. Если такое сильное магнитное поле будет обнаружено, например, в центре галактики М87, то это станет достаточно сильным указанием на присутствие там какого-то экзотического объекта без горизонта событий.
В настоящее время мы работаем над проектом, объединяющим несколько перспективных радиоинтерферометрических методов для измерения магнитных полей в центральных областях активных ядер. Мы надеемся, что эти измерения позволят нам подойти еще ближе к пониманию физической природы черных дыр и, может быть, обнаружить свидетельства существования еще более экзотических объектов.
