Тень сомнения: смогут ли новые изображения черных дыр опровергнуть Эйнштейна?
Новые исследования показывают, что будущие снимки черных дыр могут стать настолько точными, что позволят ученым проверить, действительно ли эти загадочные объекты подчиняются теории гравитации Альберта Эйнштейна — Общей теории относительности (ОТО) — или же их природа лучше описывается альтернативными теориями.
Эта революционная возможность возникла благодаря прорыву, совершенному Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT), который в 2019 году представил миру первое в истории изображение черной дыры. Тогда объектом изучения была сверхмассивная черная дыра в центре далекой галактики M87. А в 2022 году коллаборация EHT показала изображение и нашего собственного «галактического монстра» — сверхмассивной черной дыры Стрелец А* в сердце Млечного Пути.
Важно понимать, что сами черные дыры, по определению, невидимы. Это области пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может ее покинуть. Поэтому на снимках EHT мы видим не саму дыру, а ее «тень» — силуэт на фоне раскаленного до немыслимых температур вещества, которое с огромной скоростью вращается вокруг черной дыры, формируя так называемый аккреционный диск.
Команда последнего исследования предполагает, что однажды изображения этих теней станут настолько детализированными, что смогут показать мельчайшие отклонения от предсказаний ОТО. Это позволит ученым, наконец, выяснить, какой же «рецепт» является верным для описания черных дыр.
«Рецепт» черной дыры от Эйнштейна
Более чем за 100 лет до первого снимка EHT, в 1915 году, Эйнштейн сформулировал свою геометрическую теорию гравитации. В отличие от Ньютона, он предположил, что массивные объекты не просто притягиваются, а искривляют саму ткань пространства-времени, а гравитация является следствием этого искривления.
Сама концепция черных дыр родилась из уравнений ОТО. В 1916 году астрофизик Карл Шварцшильд нашел решение этих уравнений, которое предсказало существование сингулярности — точки бесконечной плотности, где законы физики перестают работать. Это решение также выявило существование «горизонта событий» — границы, из-за которой ничто, даже свет, не может вернуться.
Однако ученые давно подозревают, что ОТО может быть неокончательным «рецептом» для черных дыр. Альтернативные теории привлекательны тем, что могут обойтись без проблемной сингулярности, предлагая вместо нее другие, менее экстремальные структуры.
В поисках отклонений
«Если говорить в общем, существуют стандартные вращающиеся черные дыры, описываемые ОТО, — так называемые черные дыры Керра, — а также целый ряд альтернатив, порожденных другими теориями», — пояснил ведущий автор исследования Ахил Униял из Шанхайского университета Цзяо Тонг. — Все эти альтернативы сложнее и запутаннее эйнштейновских, но они остаются теоретически жизнеспособными, пока не будут опровергнуты».
Главное препятствие для проверки этих теорий — сам горизонт событий, который скрывает внутренность черной дыры от внешнего наблюдателя. Именно поэтому ученые сосредоточили внимание на тени черной дыры.
«Тень черной дыры — это темный силуэт, формируемый захватом фотонов и эффектом сильного гравитационного линзирования. Он содержит в себе encoded информацию о геометрии пространства-времени вблизи компактного объекта», — говорит Униял. — Крошечные отклонения в метрике [математическом описании искривления] превращаются в небольшие, но систематические изменения размера и формы тени, а также в то, как вокруг нее формируются световые кольца. Таким образом, точное измерение тени дает нам прямой инструмент диагностики, чтобы проверить, соответствует ли гравитация предсказаниям Эйнштейна».
Исследователь добавляет, что достаточно детальное изображение будущего позволит оценить, какие данные лучше соответствуют черной дыре «А» (описанной ОТО) или черной дыре «Б» (из альтернативной теории).
Будущее на горизонте
Следующие шаги в этом исследовании связаны с постоянным улучшением качества изображений. Ученые планируют добавлять новые телескопы в глобальную сеть EHT, а также разрабатывать проекты космических интерферометров с сверхдлинной базой, которые позволят добиться беспрецедентного разрешения.
«Изучение различных астрофизических сценариев позволит нам количественно ограничить отклонения от черных дыр Керра или, если они есть, обнаружить следы альтернативных теорий с помощью будущих наблюдений», — заключает Униял.
Таким образом, человечество стоит на пороге новой эры в астрофизике. Тени черных дыр, эти загадочные и совершенные проявления гравитации, вскоре могут не только подтвердить гениальную догадку Эйнштейна, но и указать на дорогу к новой, еще более фундаментальной теории мироздания. Тишина космоса, возможно, скоро прошепчет нам свой самый сокровенный секрет — истинную природу пространства и времени.
