Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

Позднее некоторые из участников этого семинара написали для Astro2010 статью с изложением стратегии будущих исследований [138] . Здесь наш проект впервые был официально представлен под своим новым именем.

Теперь в Америке деньги нам стали выделяться несколько щедрее, да и радиоастрономы в Бонне тоже активизировали свое участие в новых РСДБ-экспериментах с телескопами IRAM в Испании и Франции. В работу включился и новый телескоп Атакамский исследовательский эксперимент (APEX) в Чили. Затем, в 2011 году, настала очередь Нидерландов. В один прекрасный день в начале лета мне неожиданно позвонил Йозеф Энгелен – в прошлом директор по науке Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), а теперь председатель Нидерландской организации научных исследований (NWO). Мы были знакомы благодаря моим работам по космомикрофизике. “Надеюсь, ты сидишь”, – начал он. Удивленный, я встал. “Дорогой Хайно! – сказал он веско. – Я звоню, поскольку сам хотел сообщить тебе, что в этом году за работу с LOFAR и визуализацию черных дыр тебе присуждена премия Спинозы”. Это звучало очень здорово, но что такое премия Спинозы? Как у иностранца у меня были досадные пробелы в знаниях. К счастью, прежде чем я успел задать вопрос, он объяснил: “По сути, это голландская Нобелевская премия!”. На мгновение у меня возник соблазн спросить, не звучит ли это так же, как “нидерландский чемпионат

мира”, но я удержался. “Она гораздо больше Нобелевской премии, – продолжал он. – Ты получишь 2,5 миллиона евро”. Теперь я наконец-то сел. Энгелен добавил: “Ты можешь использовать премиальные деньги как хочешь. Конечно, не на личные нужды, а на исследования”. Разумеется, я уже знал, на что потрачу эту премию.

138

Sheperd Doeleman, et al. Imaging an Event Horizon: submm-Vlbi of a Super Massive Black Hole. // Astro2010: The Astronomy and Astrophysics Decadal Survey 68 (2009). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009astro2010S.68D.

Построение Телескопа горизонта событий

Через несколько месяцев, прихватив, так сказать, чемодан денег, я отправился в Тусон, Аризона, на первое международное стратегическое совещание, посвященное Телескопу горизонта событий. Большой телескоп ALMA в Чили был наконец построен, и теперь все самые важные представители ключевых научных организаций и обсерваторий должны были собраться вместе. Я встретился со многими друзьями и коллегами.

Мы подробно обсудили последние научные достижения в области теории. За последние годы очень возросли вычислительные возможности так называемых суперкомпьютеров. Если для составления прогноза погоды этим гигантским калькуляторам удается рассчитать направление движения масс воздуха вокруг Земли, то они способны и моделировать движение газа вокруг черной дыры. Подобный расчет можно выполнить GRMHD-методом. GRMHD – аббревиатура английского словосочетания general relativistic magnetohydrodynamics (релятивистская магнитогидродинамика). Звучит замысловато, и на самом деле так оно и есть. Вычисления методом GRMHD основаны на очень сложных моделях, описывающих поток намагниченной плазмы в искривленном, вращающемся пространстве-времени. Еще большее число программ необходимо, чтобы рассчитать, как происходит излучение радио- и световых волн, как они изгибаются и поглощаются горячими газами, окружающими черную дыру. Эти компьютерные расчеты дают гораздо более подробную картину, чем все наши расчеты в двухтысячные годы. Современные мегакомпьютеры “выдают” прекрасные, удивительно красивые изображения. Используя их вычислительные мощности, астрономы повсюду обнаруживали тени черных дыр, подтверждая тем самым наши основные гипотезы. Возникла целая “теневая индустрия”, и практически во всех моделях были видны тени и кольца света. Таким образом, на уровне теории было достигнуто полное согласие.

Меня поразили компетентность и отношение к работе молодого ученого Моники Мошчибродской. Диссертацию она защитила в Варшаве, в Астрономическом центре имени Николая Коперника, под руководством известного теоретика Бажены Черны, изучающей дисковую аккрецию, а практические навыки приобрела у Чарльза Гамми – одного из ведущих американских экспертов в области численного моделирования. Ее “прогноз погоды” для Стрельца A* [139] оказался одним из лучших. Прежде в этой области исследований доминировали исключительно мужчины, однако Моника хотела добиться успеха. Я предложил ей место в университете Неймегена и попросил набрать группу численного моделирования. Это трудное поле деятельности. Программирование, выполнение расчета и анализ результатов отнимают невероятное количество времени и энергии и требуют упорства, позволяющего проводить долгие одинокие часы за компьютером. Позднее Монике удалось усовершенствовать наши старые, построенные еще в 90-е, модели струйных выбросов [140] и удивительно точно предсказать, как будет выглядеть изображение, полученное впоследствии с помощью EHT [141] .

139

Monika Moscibrodzka, et al. Radiative Models of SGR A* from Grmhd Simulations. // The Astrophysical Journal 706 (2009): 497–507. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009ApJ…706..497M.

140

Monika Moscibrodzka, Heino Falcke, Hotaka Shiokawa, and Charles F. Gammie. Observational Appearance of Inefficient Accretion Flows and Jets in 3D GRMHD Simulations: Application to Sagittarius A*/ // Astronomy and Astrophysics 570 (2014): A7. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2014A&A…570A…7M.

141

Monika Moscibrodzka, Heino Falcke, and Hotaka Shiokawa. General Relativistic Magnetohydrodynamical Simulations of the Jet in M 87. // Astronomy and Astrophysics 586 (2016): A38. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016A&A…586A..38M. Но работа Декстера также уже дала отличные прогнозы, основанные на Grmhd-моделировании: Jason Dexter, Jonathan C. Mckinney, and Eric Agol. The Size of the Jet Launching Region in M87. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 421 (2012): 1517–28. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012Mnras.421.1517D.

Еще одной новостью, о которой много говорили на конференции, были новые оценки масс Стрельца A* и черной дыры в M87, которые оказались больше, чем считалось ранее. Согласно новым оценкам получалось, что M87 весит не два миллиарда солнечных масс, а скорее три. Одна из групп исследователей даже утверждала, что эта черная дыра в 6 миллиардов раз тяжелее Солнца. Если это так, ее тень должна быть настолько большой, что нам удастся ее увидеть! Неужели теперь у нас есть два кандидата, с которыми можно работать? Черная дыра в M87 была все же несколько меньше, чем Стрелец A*, но зато она находится в северной части неба и ее легче наблюдать из Северного полушария, где расположено большинство наших телескопов. К тому же в этом случае нам не закрывает обзор Млечный Путь. Он не будет размывать изображение черной дыры в M87, а это значит, что одной проблемой окажется меньше. Ох! Это слишком хорошо, чтобы быть правдой. Я осторожничал.

А вдруг это тот случай, когда веришь в то, во что хочешь верить? Слишком часто попытки оценить массы черных дыр в нашей Галактике заканчивались неудачами. Но попробовать все же стоило.

Дискуссии ученых на стратегической встрече в Тусоне проходили в зале заседаний, но параллельно шли и закулисные переговоры, на которых директора обсерваторий и ведущих научных организаций обсуждали разнообразные научно-политические вопросы. Я оказался меж двух огней, однако в конце концов нам удалось согласовать общий план действий. Основа единого глобального курса была заложена.

Теперь все выглядело серьезно, и нам требовались дополнительные средства. Поодиночке ни отдельные телескопы, ни даже большие обсерватории, такие как ESO и NRAO (Национальная радиоастрономическая обсерватория, США), не могли взять на себя финансирование проекта создания EHT, проведение научных исследований и анализ результатов. Имеющиеся ресурсы и персонал обсерваторий позволяли только поддерживать работу телескопов. Сейчас все зависело от нас, и надо было действовать. Но с чего начать?

Иногда помогает случай. В 2012 году, возвращаясь с конференции LOFAR в Двингело, я столкнулся в поезде со своим коллегой Майклом Крамером. Мы одновременно защитили диссертации, но затем наши пути не пересекались. В то время Крамер был третьим по счету директором Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне. Он занимался пульсарами и успешно использовал их как инструмент для проверки основополагающих принципов теории относительности Эйнштейна. Мы быстро настроились на общую волну. Пятью годами раньше именно мы с Крамером стали первыми астрономами, получившими значительные деньги от Европейского исследовательского совета (ERC). Я использовал их, чтобы финансировать новаторские измерения космических частиц с помощью LOFAR, а он построил напоминающую РСДБ сеть для измерения гравитационных волн с использованием пульсаров. Гравитация интересовала нас обоих. Проекты, которые мы вели, уже сворачивались, деньги были потрачены, и нам обоим не терпелось начать что-то новое.

Я говорил о EHT, а он о том, как с помощью пульсаров измерять с невероятной точностью пространство-время вокруг черной дыры. Мы решили подать совместную заявку в ERC и вступить в борьбу с самыми лучшими европейскими научно-исследовательскими группами. Правда, свои шансы получить такую значительную сумму, как 15 миллионов евро, мы оценивали всего в полтора процента [142] . Для подачи заявки нужна была группа из трех человек, и нам удалось привлечь итальянского астронома Лучано Реццоллу. Раньше он занимался гравитационными волнами и испаряющимися черными дырами в Институте Альберта Эйнштейна в Потсдаме, а теперь преподавал в Университете Гете во Франкфурте.

142

Поскольку дело выглядело почти безнадежным, заявок по нашей тематике было в конечном счете подано в два раза меньше, так что в действительности наши шансы равнялись 3 процентам.

Нам потребовалось какое-то время, чтобы познакомиться поближе, но уже совсем скоро мы полным ходом двинулись вперед. Совместная работа над проектом, названном нами BlackHoleCam [143] , заняла полгода. Каждому телескопу, включая EHT, нужна камера, и мы намеревались обзавестись ею. В случае Телескопа горизонта событий “камера” – это совокупность регистраторов данных и программ для их анализа.

Затем, в первые месяцы ожидания, произошло маленькое чудо. Один из разделов нашей заявки относился к использованию ALMA для поиска пульсаров в галактическом центре – необычайно рискованное, авантюрное предприятие. Десятилетиями астрономы пытались обнаружить пульсары в центре Млечного Пути. Там их должны были быть тысячи, но к описываемому мною моменту не удалось обнаружить ни одного. По счастливому стечению обстоятельств в те несколько месяцев, пока наша заявка находилась на рассмотрении, в галактическом центре вспыхнул совершенно новый пульсар. Мы первыми увидели его с помощью 100-метрового Эффельсбергского радиотелескопа и провели необходимые измерения. В сентябре 2013 года в журнале Nature была опубликована наша статья, которая привлекла большое внимание [144] . Мы показали, что все-таки существует возможность наблюдать пульсары в непосредственной близости от большой черной дыры в нашей собственной Галактике. Природа оказала нам неоценимую услугу: это открытие уж безусловно не шло вразрез с нашей заявкой. Сколько же пульсаров там еще спрятано?

143

Изображения и видео из нашего проекта, поддержанного ERC, можно найти здесь: https://blackholecam.org. C. Goddi, et al. BlackHoleCam: Fundamental Physics of the Galactic Center. // International Journal of Modern Physics D 26 (2017): 1730001–239. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017Ijmpd.. 2630001G.

144

R. P. Eatough, et al. A Strong Magnetic Field Around the Supermassive Black Hole at the Centre of the Galaxy. // Nature 501 (2013): 391–94. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013Natur.501..391E.

К нашему удивлению, несмотря на интенсивные поиски, пока больше ни одного пульсара в галактическом центре не обнаружено. Почему – остается одной из главных загадок Млечного Пути. Как и то, почему “наш” пульсар решил “привлечь к себе внимание” именно тогда, когда нам это было так нужно. Но мы его не придумали: наше открытие подтвердили другие астрономы. Разве не говорил я уже, что иногда в науке просто должно повезти?

Процесс отбора заявок напоминает кастинг. Наша заявка должна была пройти несколько отборочных раундов. И в конце каждого раунда безжалостное жюри голосует: за или против. Мы добрались до финала и были приглашены в Брюссель, чтобы лично предстать перед жюри. Вот теперь-то уж нам никак не хотелось провалиться! День за днем мы репетировали наше выступление, готовились ко всем возможным вопросам и, когда подошло время, отправились в столицу Европейского союза, где расположена штаб-квартира Европейского исследовательского совета.

В приемную наша троица зашла в прекрасном настроении. Команда, которой предстояло выступать со своим проектом перед нами, была уже здесь: высокоуважаемые профессора известного всему миру Оксфордского университета сидели, сгорбившись, или нервно мерили шагами помещение.

Через двадцать минут из комнаты, где заседала комиссия, появилась еще одна группа соискателей. Выглядели они подавленно: “Нам задавали очень конкретные вопросы о планах финансирования!” Мы похолодели. Здесь собрались одни из лучших и наиболее опытных ученых со всей Европы, но они чувствовали себя школьниками на устном экзамене. Зайдя в комнату, где должен был состояться наш доклад, и увидев комиссию из двадцати человек, сидевших вдоль U-образного стола, мы ощутили себя римскими гладиаторами, вышедшими на арену и взглянувшими в лицо научной смерти. Не хватало только торжественной музыки.