Черные дыры, некогда лишь теоретические объекты, сегодня становятся ключевым инструментом для проверки пределов общей теории относительности Эйнштейна. Эти космические «пожиратели», поглощающие все вокруг, включая свет, предстают перед нами на впечатляющих изображениях сверхмассивных черных дыр в галактике M87 и в центре нашего Млечного Пути. Наблюдения, сделанные коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT) несколько лет назад, стали важной вехой в астрономии.
«То, что мы видим на этих снимках, – это не сама черная дыра, а скорее раскаленная материя в ее непосредственной близости», – объясняет профессор Лучиано Реццолла из Университета имени Гёте во Франкфурте, чья команда сыграла решающую роль в этом открытии. Пока материя вращается за пределами горизонта событий – до того, как ее неминуемо поглотит, – она может испускать последние световые сигналы, которые, в принципе, мы способны зафиксировать.
Эти поразительные изображения демонстрируют то, что ученые называют «тенью» черной дыры, предлагая новый способ изучения физики, стоящей за этими таинственными космическими гигантами. На протяжении более чем столетия общая теория относительности Эйнштейна является фундаментом нашего понимания пространства и времени. Она предсказывает существование черных дыр и горизонта событий – границы, за которой ничто, даже свет, не может вырваться.
«Однако существуют и другие, пока гипотетические теории, которые также предсказывают существование черных дыр», – отмечает Реццолла. – «Некоторые из этих подходов требуют наличия материи с весьма специфическими свойствами или даже нарушения известных нам физических законов».
В сотрудничестве с коллегами из Института Цунг-Дао Ли в Шанхае (Китай) Реццолла и его команда предложили новый способ проверки этих альтернативных теорий. Их работа, опубликованная в журнале *Nature Astronomy*, описывает, как будущие наблюдения черных дыр могут помочь подтвердить или опровергнуть модель гравитации Эйнштейна. До недавнего времени не хватало данных для проверки или отклонения конкурирующих идей, но ситуация может измениться благодаря детальному анализу изображений теней черных дыр.
«Для этого необходимы две вещи», – разъясняет Реццолла. – «С одной стороны, изображения теней черных дыр с высоким разрешением, чтобы как можно точнее определить их радиус, а с другой – теоретическое описание того, насколько сильно различные подходы отклоняются от теории относительности Эйнштейна».
Для решения этой задачи команда создала всеобъемлющую концепцию, описывающую, как различные теоретические типы черных дыр будут отличаться от предсказаний Эйнштейна и как эти различия проявятся на изображениях. Используя передовые трехмерные компьютерные симуляции, они воспроизвели движение материи и магнитных полей в искривленном пространстве-времени вокруг черных дыр. На основе этих симуляций были созданы синтетические изображения светящейся плазмы, циркулирующей вокруг этих колоссальных объектов.
«Центральным вопросом было: насколько существенно изображения черных дыр различаются в рамках различных теорий?» – говорит ведущий автор исследования Акил Униял из Института Цунг-Дао Ли. Исследователи выявили четкие закономерности, которые при появлении более четких изображений в будущем смогут помочь ученым определить, какая теория лучше соответствует реальности. Хотя текущее разрешение EHT еще не позволяет обнаружить эти тонкие различия, усовершенствования технологий постепенно сделают такие сравнения возможными. В рамках подготовки к этому физики разработали универсальное описание черных дыр, способное охватить множество различных теоретических концепций.
«Один из важнейших вкладов коллаборации EHT в астрофизику – это превращение черных дыр в объекты, поддающиеся проверке», – подчеркивает Реццолла. – «Мы ожидаем, что теория относительности продолжит подтверждать свою состоятельность, как это происходило снова и снова до сих пор». Пока что полученные данные согласуются с теорией Эйнштейна, хотя неопределенности в измерениях означают, что лишь несколько экзотических идей были исключены. Например, черные дыры в M87 и Млечном Пути почти наверняка не являются «голыми сингулярностями» (без горизонта событий) или кротовыми норами. Тем не менее, Реццолла отмечает: «Даже устоявшаяся теория должна непрерывно проверяться, особенно на таких экстремальных объектах, как черные дыры». Если модель Эйнштейна когда-либо потерпит неудачу, это станет революционным моментом в физике.
EHT предоставляет беспрецедентную возможность для таких исследований. Объединяя данные нескольких крупных радиотелескопов по всему миру, он фактически создает телескоп размером с Землю, способный улавливать мельчайшие детали вокруг черных дыр. Уже есть планы по добавлению новых обсерваторий в сеть и, в конечном итоге, включению космического радиотелескопа, что значительно повысит его разрешение.
Такие достижения могут сделать возможными действительно окончательные проверки конкурирующих теорий черных дыр. Согласно новому исследованию, для этого потребуется достичь углового разрешения менее одной миллионной доли угловой секунды – примерно как разглядеть монету на поверхности Луны с Земли. Хотя такой уровень точности пока недостижим, ученые ожидают, что он станет возможным в ближайшие годы, потенциально открывая новую главу в нашем понимании гравитации и самой Вселенной.
