Телескоп размером с Землю, или Как ученые почти заглянули в черную дыру

На днях научный мир облетела новость: ученые 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.

Достижение принадлежит той же команде, которая в 2019 году опубликовала нашумевшее 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).

Грандиозный инструмент получил изображение с разрешением 20 угловых микросекунд. Оптический телескоп, имеющий такое разрешение, мог бы с Земли различить на Луне спичечный коробок, не то что отпечаток ботинка астронавта. Жаль, что таких оптических телескопов не существует.

Зато существуют такие радиотелескопы (и даже более зоркие). Правда, они изучают не следы астронавтов на Луне, а черные дыры, далекие галактики и природные космические лазеры (точнее, мазеры). Но это, согласитесь, не менее интересно.

Системы, приносящие столь удивительные результаты, называются интерферометрами. Разберемся, как они работают.

Разрешение на любопытство

Посмотрите в ночное небо. Насколько тусклые звезды вы можете заметить? Теперь переведите взгляд на Луну. Насколько тонкие детали вы различаете? Вот вы и познакомились с двумя главными характеристиками астрономического инструмента: чувствительностью и разрешением. Первая — про способность выделять из фона слабые объекты. Вторая — про возможность разглядеть мелкие подробности объектов ярких. Понятно, что астрономов интересует «и то, и другое и можно без хлеба», но в этой статье мы поговорим о разрешении.

Как оно измеряется? Когда мы смотрим на далекий предмет, наш глаз оказывается в вершине треугольника, основание которого — этот самый предмет. Это проиллюстрировано ниже (масштаб искажен с особой жестокостью).

Понятно, что чем меньше объект и чем дальше от нас он находится, тем меньше угол δ, под которым мы его видим. Разрешение, или угловое разрешение, — это минимальный угол, при котором предмет все еще различим.

Угловое разрешение человеческого глаза — около одной угловой минуты. Это значит, что человек с идеальным зрением может с километрового расстояния разглядеть предмет размером 30 сантиметров.

Обратите внимание: чтобы улучшить разрешение, минимальный угол δ нужно уменьшить, а не увеличить. Чем он меньше, тем более тонкие детали мы различаем. Будь этот угол меньше в десять раз, с километровой дистанции мы разглядели бы и монету.

От чего зависит разрешение радиотелескопа? Ответ дает простая приближенная формула (будем надеяться, что она не уменьшит число читателей этой статьи вдвое, чем издатели традиционно пугают популяризаторов). Пусть λ — длина радиоволны и D — диаметр антенны. Тогда разрешение δ (в радианах) равно:

δ ≈ λ/D

Значит, самый простой способ уменьшить угол δ и тем самым повысить разрешение — увеличить телескоп. Радиоастрономы, дай им волю, превратили бы в антенну всю Вселенную, после чего им стало бы нечего наблюдать. Однако реальность жестока: слишком большие конструкции технически нежизнеспособны. Самый большой действующий радиотелескоп — китайский 500-метровый FAST, но и он использует не всю свою площадь.

Какое же разрешение обеспечивает этот великан? Легко вычислить, что при минимальной для него длине волны 10 сантиметров разрешение составляет… порядка угловой минуты. Полукилометровый гигант, чудо инженерной мысли, различает детали не лучше, чем невооруженный человеческий глаз!

Разумеется, это лукавое сравнение. Оптическая и радиоастрономия дополняют друг друга, но не могут друг друга заменить. Это так хотя бы потому, что не все космические радиоисточники излучают еще и свет, и наоборот. А поскольку глаз вообще не воспринимает радиоизлучение, то и незачем ему задирать нос перед честными антеннами (хотя минуточку, где у глаза нос?). И вообще, что поделать, если десятисантиметровые радиоволны в сотни тысяч раз длиннее световых?

Ученым, однако, очень хочется что-нибудь с этим поделать. Поэтому еще на заре радиоастрономии они придумали телескопы-интерферометры.

Как это работает

Простейший интерферометр представляет собой две антенны, которые работают как одна: сигнал с них складывается или (чаще) перемножается. Они могут быть соединены кабелем или просто вести запись с метками точного времени, чтобы перемножение сигнала можно было выполнить постфактум.

Что в этом хорошего? Дело в том, что угловое разрешение интерферометра тоже описывается приведенной выше формулой, только под D в ней нужно понимать расстояние между антеннами. Отрезок, соединяющий антенны, называется базой интерферометра; понятно, что расстояние между ними — это длина базы. Кроме длины, важна еще и ориентация базы в пространстве.

Что же получается? Разнесем два телескопа на тысячу километров — и получим разрешение, как у фантастической, невозможной тысячекилометровой антенны?

На самом деле, увы, все сложнее. Телескопы можно и нужно разносить (главное, чтобы не вдребезги), но эффект от этого будет несколько менее впечатляющий.

Дело в том, что интерферометр с длиной базы D получает только часть информации, которая достается цельной антенне диаметра D. Для математически подкованных читателей уточним: интерферометр с единственной базой считывает единственную же Фурье-гармонику пространственного распределения яркости (на частоте, зависящей от длины и ориентации этой базы). Если для вас это звучит как «интерферометр считывает только одну сепульку тирьямпампации», не отчаивайтесь! Главная мысль проста: для построения полного изображения нужны все сепульки, которых много. А интерферометр из двух неподвижных антенн (и, значит, с единственной базой) дает лишь одну. Пусть и точно такую же, какую (в числе прочих!) дала бы огромная антенна диаметра D.

Иногда этого хватает. Например, если наблюдаемый объект — крошечная точка, и задача интерферометра лишь как можно точнее определить ее положение на небе. Но чаще — нет. Чтобы разобраться, как выглядит сложно устроенный объект, астрономам нужно больше информации, и значит, больше баз.

Это можно устроить. Во-первых, кто сказал, что телескопов может быть только два? Крупнейшая интерферометрическая сеть European VLBI Network включает 24 антенны, разбросанные от Японии до Испании и от Финляндии до ЮАР. В нее, кстати, входит и российская сеть «Квазар» с антеннами в Ленинградской области, Карачаево-Черкесии и Бурятии. И каждый отрезок, соединяющий какие-нибудь два телескопа, — база интерферометра.

Во-вторых, антенны могут двигаться друг относительно друга, меняя длину и ориентацию базы. Так устроена американская система VLA. Двадцать восемь «тарелок» стоят на рельсах, и при необходимости их перемещает специальный тягач.

Российский исполин

Можно совместить два подхода, сделав несколько неподвижных антенн и одну подвижную. Особенно заманчиво запустить подвижный телескоп в космос на вытянутую орбиту. На максимальном расстоянии от Земли (в апогее) спутник обеспечит интерферометру огромную базу. По мере его движения вокруг планеты база будет меняться как по длине, так и по ориентации.

Именно так и работал самый зоркий телескоп в мире — российский «Радиоастрон». Его космической частью был искусственный спутник Земли «Спектр-Р» с десятиметровой антенной на борту. Запущенный в космос в 2011 году, он прекратил функционировать в 2019 году, проработав намного дольше положенного срока. За это время «Радиоастрон» пронаблюдал около 250 космических объектов и накопил четыре петабайта данных. Их обрабатывают и интерпретируют до сих пор.

К слову, запуск десятиметрового радиотелескопа в космос стал рекордным и сам по себе. Но «Спектр-Р» работал не в одиночку. В качестве наземного плеча хотя бы раз выступили практически все действующие радиотелескопы, подходящие по длине волны (почти 60 штук).

«Радиоастрон» — не первый наземно-космический интерферометр, но он побил все рекорды по длине баз. Максимальная база составила 350 тысяч километров, что почти равно расстоянию от Земли до Луны. Неудивительно, что этот инструмент попал в книгу рекордов Гиннесса как самый большой телескоп в истории. Разрешение на этой базе составляло 8 угловых микросекунд — абсолютный рекорд не только в радио-, но и вообще в астрономии.

Кстати, а почему рекорд? Что мешает нам получить еще большую базу? Давайте запустим телескоп не вокруг Земли, а вокруг Солнца! И пусть расстояние до него будет как до Марса, нет, как до Юпитера, нет, как до «Вояджеров»!

Увы, это ничего не даст. Дело в том, что за высокое разрешение приходится дорого платить. Радиотелескоп, интерферометр он или нет, не окидывает небо хозяйским взглядом. Одномоментно он «видит» лишь крошечный кусочек. Насколько крошечный? А вот как раз с угловым размером, равным разрешению.

Чем это чревато? Пламя свечи такое же яркое, как пламя большого факела. Но оно меньше по размеру, поэтому и света от него меньше. Сквозь узкую щель можно увидеть лишь маленький кусочек диска Солнца, и много ли света будет от этой щели в темной комнате? С радиоволнами такая же история. Если угловое разрешение будет слишком высоким, сигнал от космического радиоисточника станет неразличим в фоновом шуме.

Обойти эту проблему можно, если повысить чувствительность телескопа. Но чувствительность, в отличие от разрешения, не зависит от размера базы. Чтобы ее увеличить, придется все-таки взять антенну побольше. А большие и массивные аппараты трудно выводить в космос, тут уж сказываются ограничения ракет-носителей.

Однако будущее интерферометрии не только в космосе, что и демонстрирует нам сеть EHT. К ней постепенно подключаются новые инструменты, так что в скором времени можно ожидать еще более подробных портретов черных дыр.

Еще одна возможность — строить системы со скромным по меркам интерферометров разрешением, но зато гигантской чувствительностью. Так, в прошлом году началось строительство сети SKAO (Square Kilometre Array Observatory). Максимальная база будет измеряться «всего лишь» десятками километров, зато суммарная площадь сотни тысяч антенн превысит квадратный километр!

В общем, хотя инструмента с базой Земля—Марс пока не предвидится, потенциал технологии далеко не исчерпан. Интерферометры и впредь будут пристально разглядывать Вселенную, а мы — радоваться потоку научных открытий.