Посмотрите на фотографию. Она фиксирует момент. Замершую мгновением вечность. Ваш свадебный день. Закат. За кадром снимка кроется предположение, что каждый фотон, попавший на матрицу, покинул объект в один и тот же момент времени. Это успокаивающая ложь. Отчасти.
Реальность куда сложнее. Даже на обычной фотографии свет от человека слева начал свой путь чуть раньше, чем свет от человека справа. Но мы игнорируем этот факт. Мы о нём не задумываемся. Почему? Потому что скорость света невероятно велика. Задержка пренебрежимо мала. На изображении всё происходит в едином «сейчас».
Чёрные дыры разрушают эту логику.
Там пространство-время искривлено настолько, что понятие единого «сейчас» перестает существовать. Одно изображение чёрной дыры объединяет свет, который покидал объект в разное время. Некоторые фотоны прошли кратчайший путь. Другие облетали вокруг бездны, кто знает как долго, прежде чем достичь вашего детектора. Такое изображение — это коллаж из прошлого и настоящего. Капсула времени.
Даниэль Рохас-Патернина и Аเลjandro Карденас-Авенадо размышляли об этом. Их статья,即将 опубликованная в журнале Physical Review D, расставляет всё по местам. Авторы объясняют, когда эти скрытые временные различия имеют значение, а когда их можно смело игнорировать.
«Хорошей отправной точкой является обычная фотография… Но поскольку скорость света велика, мы обычно рассматриваем снимок как запись одного момента.»
Давайте будем честны. На данный момент у нас есть изображения двух чёрных дыр. M87 и Sgr A. Ни одно из этих изображений не показывает саму чёрную дыру. Вы видите её тень. Дыру в самой ткани вселенной. Вокруг неё — оранжевое свечение. Перегряз газ. Аккреционный диск, вращающийся с невообразимой скоростью. Он яркий. Он «громкий». Он кричит нам с расстояния в миллионы световых лет.
Для моделирования этого явления физики используют два подхода.
Во-первых: модель «Быстрого света» (Fast-Light).
Она трактует изображение чёрной дыры как обычную фотографию собаки. Щелк. Готово. Вы предполагаете, что каждый фотон пришёл из одного и того же момента. Вы делаете один снимок газа. Визуализируете его. И переходите к следующему. Это быстро. Это дёшево с точки зрения вычислений. Это ленивый подход. Но является ли он ошибочным? Не обязательно. Если газ находится в стационарном состоянии, этот метод работает отлично.
Во-вторых: модель «Медленного света» (Slow-Light).
Этот подход учитывает задержки. Он фиксирует фотон, который дважды облетел горизонт событий, в то время как другой мчался напрямую к Земле. Он говорит: «Этот пиксель — со вторника. Тот пиксель — с четверга». В чём проблема? Это кошмар для компьютеров. Расчет карты временных задержек для каждого отдельного пикселя стоит огромных вычислительных ресурсов. Для создания одного кадра требуются тысячи снимков потока газа.
Что же выбрать?
Всё зависит от степени хаоса.
Если газ вокруг чёрной дыры спокоен, приближение «Быстрого света» остается верным. Сцена мало изменилась с момента вылета предыдущего фотона. Это всё та же «каша». Но что, если газ мерцает? Если там бушуют насильственные вихри и яркие вспышки, exploding за миллисекунду? Тогда разница во времени становится критической. Вы сравниваете вчерашнюю тишину с сегодняшним взрывом в одном кадре.
Физика этого процесса сводится к гонке.
Идут два часовых механизма. Один измеряет скорость изменений в газе. Другой — разброс времени полёта фотонов.
Рохас-Патернина и Карденас-Авенадо нашли золотую середину. Они называют её подходом «Бодрого света» (Brisk-Light).
Он не полностью «Быстрый» и не полностью «Медленный». Он сохраняет основные структуры временных задержек — большие петли и изгибы лучей, — но избавляется от лишней вычислительной нагрузки. Этот метод приближается к точности модели «Медленного света», но не требует дней работы суперкомпьютера. Это компромисс. Хак, который действительно работает.
Значит ли это, что нам нужно отказаться от знаковых изображений телескопа Event Horizon Telescope?
Нет.
Нам просто повезло с углами наблюдения. M87 и Sgr A были расположены так, что модель «Быстрого света» была достаточно точной. Ошибки времени были скрыты геометрией системы.
Но настоящее испытание впереди.
Обсерватории следующего поколения, такие как планируемый Black Hole Explorer, хотят изучить фотонные кольца. Это узкие полосы света, форма которых определяется не газом, а самим пространством-временем. Фотоны, орбитально вращающиеся вокруг дыры перед тем, как вырваться на свободу.
Здесь время — всё. Кольцо состоит из призраков. Свет, испущенный в разные моменты и прошедший разными путями. «Фильм» о чёрной дыре — это не просто видео. Это нечто страннее. В каждом кадре переплетается история.
«Фильм о чёрной дыре страннее, чем обычный фильм.»
Телескоп Event Horizon Telescope пытается создать этот фильм прямо сейчас. Наши изображения всё ещё размыты и зернисты. Но мы ближе к тому, чтобы увидеть работу этого космического двигателя, чем когда-либо прежде.
Когда кадры наконец выстроятся в единую картину, мы будем видеть не просто свет. Мы будем заглядывать в прошлое. Не только сквозь пространство. Но и сквозь время.
Статья проходит рецензирование в журнале Physical Review D. Препринт можно найти на arXiv, если вам интересно.
