Недавно группа ученых сумела получить первое изображение центральной черной дыры нашей галактики — Стрелец А*. Как им это удалось? Имеют ли в нашем распоряжении телескопы размером с наше небо или даже больше? Могут ли мы разглядеть спичечный коробок на Луне? Naked Science рассказывает о одной из самых впечатляющих технологий для исследования Вселенной.
Недавно научное сообщество было взбудоражено известием: исследователи впервые получили изображение центральной черной дыры Млечного Пути. Эта черная дыра угнездилась в центре объекта под названием Стрелец A*. Стрелец A* состоит из самой черной дыры и облака падающего на нее вещества. Это вещество и испускает радиоволны. Новое изображение Стрельца A* впервые настолько подробное, что на нем можно разглядеть собственно черную дыру. Астрономы ждали этого результата десятилетиями.
Это достижение принадлежит той же команде, которая в 2019 году представила нашумевшую изображение черной дыры в центре галактики М87. Ученые снова использовали сеть из восьми радиотелескопов, разбросанных от Испании до Чили и Антарктиды. Эта сеть работала как единый телескоп, размерами сравнимый с Землей. Этот циклопический инструмент называется Event Horizon Telescope (EHT), то есть Телескоп горизонта событий. Он почти способен увидеть горизонт событий черной дыры (ее условную «поверхность»), отсюда и название. Почти — потому что на самом деле наблюдается чуть более широкая область, так называемая тень (зона, из которой черная дыра, так сказать, изымает фотоны).
Полученное изображение обладает впечатляющим разрешением в 20 угловых микросекунд. Телескоп с подобным разрешением позволил бы различить с земной поверхности спичечный коробок на Луне, а не только отпечаток ботинка астронавта. К сожалению, оптические телескопы с такими характеристиками пока не созданы.
Существуют и другие радиотелескопы, обладающие еще большей мощностью. Они не предназначены для изучения следов астронавтов на Луне, но позволяют исследовать черные дыры, удаленные галактики и природные космические лазеры, известные как мазеры. И это, безусловно, представляет значительный интерес.
Интерферометры — это системы, демонстрирующие поразительные результаты. Рассмотрим принцип их работы.
Разрешение на любопытство
Взгляните на ночное небо. Какие самые слабые звезды вы способны увидеть? А теперь переведите взгляд на Луну. Какие детали на ней вам удается различить? Таким образом, вы познакомились с двумя ключевыми параметрами астрономического инструмента: чувствительностью и разрешением. Первый параметр определяет способность выявлять слабые объекты на фоне общего свечения. Второй – способность видеть мелкие детали ярких объектов. Разумеется, астрономы стремятся к обоим параметрам, но в этой статье мы сосредоточимся на разрешении.
Как это определяется? При взгляде на удалённый объект, глаз располагается в вершине треугольника, у которого основанием служит этот объект. Это показано ниже (масштаб намеренно искажён).
Чем меньше размер объекта и чем больше расстояние до него, тем меньше угол δ, под которым он воспринимается. Разрешение, или угловое разрешение, — это наименьший угол, при котором предмет остаётся видимым.
Человеческий глаз обладает угловым разрешением приблизительно в одну угловую минуту. Следовательно, человек с нормальным зрением способен различить объект длиной 30 сантиметров, находящийся на расстоянии километра.
Обратите внимание: для повышения четкости изображения минимальный угол δ необходимо уменьшить, уменьшение угла обзора позволяет различать более тонкие детали. Если бы угол был в десять раз меньше, мы смогли бы различить монету, находясь на расстоянии километра.
На разрешение радиотелескопа влияет несколько факторов, и одним из них является длина волны радиосигнала и диаметр используемой антенны. Для оценки этого параметра существует упрощенная формула, которую мы приведем ниже (хотя, возможно, она отпугнет часть читателей, так как издатели часто предупреждают популяризаторов о таком риске). Если обозначить длину радиоволны как λ, а диаметр антенны как D, то угловое разрешение δ (в радианах) можно рассчитать по формуле:
δ ≈ λ/D
Уменьшение угла δ и, как следствие, повышение разрешения достигается увеличением телескопа. Радиоастрономы, если бы им позволили, использовали бы всю Вселенную в качестве антенны, после чего у них не осталось бы объектов для изучения. Однако, реальность накладывает ограничения: создание слишком крупных конструкций технически невозможно. В настоящее время самый крупный радиотелескоп — китайский FAST диаметром 500 метров, но и он не использует свою полную площадь.
Какое разрешение демонстрирует этот массивный телескоп? Расчеты показывают, что при минимальной длине волны, используемой им, разрешение составляет… приблизительно угловую минуту. Этот полукилометровый телескоп, выдающееся достижение инженерной мысли, способен различать детали не лучше, чем обычный человеческий глаз!
Безусловно, это довольно хитрое сравнение. Оптическая и радиоастрономия являются взаимодополняющими, но не взаимозаменяемыми. Это объясняется тем, что не все космические объекты, излучающие радиоволны, генерируют и видимый свет, и наоборот. Поскольку радиоизлучение недоступно для восприятия человеческим глазом, нет оснований для превосходства антенн над ним (хотя где у глаза нос?). В конце концов, что можно сказать о радиоволнах длиной в десять сантиметров, которые в сотни тысяч раз длиннее световых?
Ученые стремятся найти решение этой проблемы. Поэтому, на ранних этапах развития радиоастрономии, они разработали телескопы-интерферометры.
Как это работает
Самый простой интерферометр состоит из двух антенн, функционирующих как единая система: их сигналы складываются или (более распространено) перемножаются. Антенны могут быть соединены кабелем или данные с них могут быть записаны с отметками точного времени, чтобы выполнить перемножение сигнала уже после записи.
В чем заключаются преимущества этого? Дело в том, что угловое разрешение интерферометра также определяется упомянутой выше формулой, но с D в ней нужно понимать расстояние между антеннами. Отрезок, соединяющий антенны, называется базой интерферометра; расстояние между этими точками соответствует длине базы. Помимо длины, необходимо учитывать ориентацию базы в пространстве.
Получается, если расположить два телескопа на расстоянии тысячи километров, то разрешение будет равно разрешению гигантской, нереальной антенны протяженностью в тысячу километров?
К сожалению, ситуация оказывается более сложной. Телескопы можно и необходимо располагать на большем расстоянии (главное, чтобы они не повредились), однако полученный эффект будет несколько менее заметным.
Дело в том, что интерферометр с длиной базы D получает только часть информации, которая достается цельной антенне диаметра D. Для читателей, знакомых с математикой, поясним: интерферометр с единственной базой фиксирует лишь одну Фурье-гармонику пространственного распределения яркости (на частоте, зависящей от длины и ориентации этой базы). Если это кажется вам, что «интерферометр фиксирует только одну сепульку тирьямпампации», не стоит переживать! Основная идея заключается в том, что для создания полноценного изображения необходимы все сепульки, которых достаточно много. А интерферометр, состоящий из двух неподвижных антенн (и, следовательно, имеющий единственную базу), предоставляет только одну. Пусть и такую же, какую (в числе других!) выдала бы огромная антенна диаметром D.
Иногда этого достаточно. К примеру, если наблюдаемый объект представляет собой едва различимую точку, а функция интерферометра заключается в максимально точном определении его координат на небе. Однако чаще это не так. Для изучения структуры сложных объектов астрономам требуется больше данных, а следовательно, и больше баз.
Это вполне осуществимо. Прежде всего, почему мы ограничиваемся лишь двумя телескопами? Крупнейшая интерферометрическая сеть European VLBI Network включает 24 антенны, эта сеть охватывает огромную территорию, простираясь от Японии до Испании и от Финляндии до ЮАР. В ее состав входит и российская сеть «Квазар», располагающая антеннами в Ленинградской области, Карачаево-Черкесии и Бурятии. Каждый участок, объединяющий два телескопа, представляет собой базовую станцию интерферометра.
В качестве альтернативы, антенны способны перемещаться, изменяя тем самым длину и ориентацию базовой структуры. Подобная конструкция реализована в американской системе VLA. На железнодорожных путях размещено двадцать восемь сменных плит, которые при необходимости переставляются с помощью специального тягача.
Российский исполин
Сочетание нескольких стационарных антенн и одной подвижной представляется перспективным решением. Запуск подвижного телескопа в космос на удалённую орбиту выглядит особенно привлекательным. Достигнув максимального расстояния от Земли (в апогее), спутник предоставит интерферометру значительную базу. Изменяясь в процессе движения вокруг планеты, база будет варьироваться как по протяженности, так и по направлению.
Российский телескоп «Радиоастрон», признанный одним из самых мощных в мире, функционировал именно таким образом. В качестве его космической части выступал искусственный спутник Земли «Спектр-Р», оснащенный десятиметровой антенной. Запущенный в 2011 году, он перестал работать в 2019 году, значительно превысив свой расчетный срок службы. За время работы «Радиоастрон» провел наблюдения за приблизительно 250 космическими объектами и собрал около четырех петабайт информации. Данные продолжают обрабатываться и анализироваться.
Запуск десятиметрового радиотелескопа в космос уже сам по себе стал знаковым событием. Однако «Спектр-Р» функционировал не автономно. Практически все действующие радиотелескопы, соответствующие требуемой длине волны (около 60 штук), хотя бы однажды выполняли роль наземной поддержки).
«Радиоастрон» не является первым наземно-космическим интерферометром, однако он превзошел все предыдущие разработки по длине используемых баз. Максимальная база составила 350 тысяч километров, что сопоставимо с расстоянием от Земли до Луны. Благодаря этому, инструмент был занесен в Книгу рекордов Гиннесса как самый крупный телескоп, когда-либо созданный. Разрешающая способность на этой базе достигла 8 угловых микросекунд — это абсолютный рекорд не только для радиоастрономии, но и для всей астрономии.
Кстати, в чем причина рекорда? Что не позволяет нам создать еще более масштабную базу данных? Предлагаю разместить телескоп не на орбите Земли, а вокруг Солнца! И пусть расстояние до него будет сопоставимо с расстоянием до Марса, нет, до Юпитера, нет, как расстояние до аппаратов «Вояджер»!
К сожалению, это не принесет никакого результата. Причина заключается в том, что высокое разрешение требует значительных затрат. Радиотелескоп, будь то интерферометр или нет, не охватывает небо широким обзором. За один раз он «замечает» лишь небольшую область. Какова ее величина? Она соответствует угловому размеру, определяющему разрешение.
Чем это может повлечь? Яркость пламени свечи сопоставима с яркостью пламени большого факела. Однако, из-за меньшего размера, свеча излучает меньше света. Через узкую щель виден лишь небольшой фрагмент солнечного диска, и сколько света может пройти через такую щель в темном помещении? С радиоволнами ситуация аналогичная. Если угловое разрешение будет слишком высоким, сигнал от космического радиоисточника станет неразличим в фоновом шуме.
Эту проблему можно решить, увеличив чувствительность телескопа. Важно отметить, что, в отличие от разрешения, чувствительность не связана с размером используемой базы. Для повышения чувствительности потребуется антенна большего размера. Однако вывод в космос крупных и массивных аппаратов затруднен из-за ограничений, накладываемых ракетами-носителями.
Будущее интерферометрии не ограничивается космическими исследованиями, что подтверждает сеть EHT. По мере подключения новых инструментов, в ближайшее время стоит ожидать получения более детальных изображений черных дыр.
Существует и другой подход: создавать системы с относительно невысоким разрешением, но обладающие выдающейся чувствительностью. Например, в прошлом году стартовало строительство сети SKAO (Square Kilometre Array Observatory). Несмотря на то, что максимальное расстояние между элементами составит лишь несколько десятков километров, суммарная площадь, занимаемая сотнями тысяч антенн, превысит квадратный километр!
Несмотря на отсутствие в ближайшем будущем миссии с базой на Земле и Марсе, возможности этой технологии еще предстоит полностью раскрыть. Интерферометры продолжат детальное изучение Вселенной, а мы будем с нетерпением ждать новых научных прорывов.