M87: снимок, на котором ничего не видно — и в этом всё дело
Оранжевое кольцо на первом снимке чёрной дыры имеет угловой размер 42 микросекунды дуги. Понять это число можно только рядом с другим: чтобы такое разглядеть, нужен телескоп, способный прочитать газету в Нью-Йорке, сидя за столиком кафе в Париже. Именно так авторы снимка описали разрешение своего инструмента.
Чёрную дыру нельзя сфотографировать
Из чёрной дыры не выходит свет — фотографировать там буквально нечего. Снимать можно только то, что вокруг: раскалённый газ, который падает внутрь и по дороге разогревается до свечения. Гравитация загибает лучи этого газа так, что вокруг невидимой границы образуется светящееся кольцо, а внутри — тёмное пятно. Это пятно и называют тенью чёрной дыры.
То есть тёмный центр снимка — не объект, а его отсутствие. Первое изображение чёрной дыры — это изображение дырки в свете.
Почему выбрали именно M87
Галактика Messier 87 находится в 55 миллионах световых лет от Земли — это центр скопления Девы. По астрономическим меркам объект далёкий, и логично было бы снимать чёрную дыру в центре нашей собственной Галактики, до которой в две тысячи раз ближе.
Но чёрная дыра в M87 гигантская: её масса — 6,5 миллиарда солнечных. Чем больше масса, тем крупнее тень. Расстояние съедает угловой размер, масса его возвращает. В итоге две совершенно разные чёрные дыры — далёкая огромная и близкая скромная — видны с Земли примерно одинаково мелкими. M87* оказалась удобнее: она массивнее, а значит, меняется медленнее, и её можно снимать несколько ночей подряд, не боясь, что картинка «поплывёт».
Из этой же галактики бьёт джет — струя вещества длиной около 5000 световых лет, разогнанная до скорости выше 99% световой. Её видели ещё в 1918 году, задолго до того, как поняли, что её порождает.
Телескоп размером с планету
Нужного разрешения не даст ни одна антенна на Земле — для этого потребовалась бы тарелка диаметром с планету. Поэтому её собрали виртуально: восемь обсерваторий на четырёх континентах, от Гавайев и Чили до Испании, Мексики и Южного полюса, наблюдали M87 одновременно в апреле 2017 года. Каждая записывала сигнал со сверхточной привязкой ко времени, а потом записи сводили вместе. Метод называется интерферометрия со сверхдлинной базой: расстояние между антеннами работает как диаметр одного инструмента.
За четыре ночи наблюдений набралось около пяти петабайт данных. Передать такой объём по сети было невозможно — жёсткие диски физически развозили самолётами. Диски с Южного полюса пришлось ждать дольше всех: оттуда ничего не вывозят до конца антарктической зимы, и они добрались до лабораторий только в декабре.
Два года на проявку
Между наблюдением и публикацией прошло почти два года. Данных было мало и они были рваные — восемь точек вместо сплошной тарелки, — поэтому картинку приходилось не «проявлять», а достраивать. Здесь легко обмануть самих себя: алгоритм, который очень хочет увидеть кольцо, кольцо и нарисует.
Чтобы этого избежать, команду разделили на четыре независимые группы. Каждая работала своими методами и не знала, что получается у остальных. Только когда все четыре независимо пришли к кольцу примерно одного размера, результат сочли настоящим. Один из ключевых алгоритмов реконструкции разрабатывала Кэти Боуман, тогда аспирантка.
Что этот снимок доказал
Изображение опубликовали 10 апреля 2019 года. Кольцо оказалось асимметричным — снизу ярче, чем сверху: это работает эффект Доплера, вещество, летящее в нашу сторону, кажется ярче. Размер тени сошёлся с тем, что предсказывает общая теория относительности для чёрной дыры такой массы. Теория Эйнштейна, сформулированная в 1915 году, выдержала проверку в самом жёстком режиме, какой вообще доступен наблюдению.
В 2018 году EHT снял M87* повторно. Кольцо осталось на месте и того же размера — яркое пятно на нём сместилось, что и ожидалось от подвижного газа, но сама тень оказалась устойчивой. Первый снимок не был случайной удачей.