3. Представлено первое фото черной дыры в центре нашей Галактики / Наука / Независимая газета
Расстояние до «пожирательницы звезд» в центре Млечного Пути – 27 тысяч световых лет. Иллюстрация NASA
20 мая сотрудники Европейской южной обсерватории (ESO) и команда, занимающаяся исследованиями на Телескопе горизонта событий (EHT, Event Horizon Telescope), провели пресс-конференцию, на которой показали фото черной дыры в центре нашей Галактики – Млечного Пути. Теперь идея о том, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра, не просто научная гипотеза, а экспериментально подтвержденный факт.
Ранее предполагалось, что галактики и скопления галактик собираются в том месте, где уже есть большая масса темной материи. Теперь в распоряжении астрофизиков есть фото, на котором отчетливо видна тень горизонта событий. Следовательно, темная материя тут ни при чем.
Строго говоря, саму черную дыру невозможно увидеть, однако ее тень хорошо различима на фоне поглощаемого черной дырой вещества.
Еще не так давно, в 2013 году, говоря о свойствах черных дыр, ученые предпочитали использовать сослагательное наклонение: «По разным оценкам, кандидатов в черные дыры существует несколько десятков… И почти все такие кандидаты в черные дыры (20–30) обнаружены в нашей Галактике. Массы компактных объектов могут быть от трех до 12 солнечных масс и даже более».
В 2019 году астрофизики смогли впервые сфотографировать черную дыру в центре галактики М87. Но один раз – не факт. Факт – объективное и повторяющееся событие или феномен. И вот – снимок черной дыры, вернее горизонта событий вокруг нее, буквально у нас под боком, в центре Млечного Пути.
Как выглядит наша черная дыра и чем отличается от М87? Масса Стрелец А* (так называется объект в центре нашей Галактики, Sagittarius A*, Sgr A*) 4,2 млн солнечных масс, а размер горизонта событий сравним с орбитой Меркурия.
Расстояние до Sgr A* – 27 тыс. световых лет. М87 в 1500 раз более массивная и в 2000 раз более далекая черная дыра. В отличие от М87, вокруг Стрельца А* газ вращается на околосветовых скоростях, что приводит к разнице между любыми двумя фото тени черной дыры. Чтобы решить эту проблему, была создана модель вращения, которая распознавала, в какой именно фазе находится изображение с данной фотографии.
Получено изображение черной дыры в центре нашей Галактики • Алексей Левин • Новости науки на «Элементах» • Черные дыры, Астрофизика
12 мая в шести странах одновременно состоялись заранее анонсированные пресс-конференции участников международной астрономической коллаборации Event Horizon Telescope. На них был продемонстрирован «снимок» черной дыры Sgr A* в центре Млечного Пути, полученный новейшими методами радиоастрономии. Три года назад эта же коллаборация обнародовала портрет сверхмассивной черной дыры в галактике M87. Угловые размеры двух дыр близки, поскольку «наша» черная дыра примерно в 2000 раз ближе и в 1500–2000 раз легче (ее масса составляет примерно четыре миллиона солнечных масс). И хотя Sgr A* находится гораздо ближе, на получение ее изображения потребовалось гораздо больше времени. Основную сложность представляло быстрое вращение вещества вокруг нее, из-за которого картина окрестностей черной дыры постоянно менялась.
Учет этих изменений потребовал колоссальных вычислительных усилий.
Международная коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) была основана по инициативе нидерландских астрофизиков Хайно Фалька (Heino Falcke) и Серы Маркофф (Sera Markoff), их гарвардского коллеги Шеперда Дойлмана (Sheperd Doeleman) и других исследователей из различных стран. Ее учредили для сбора детальной радиоастрономической информации о сверхмассивных черных дырах, скрытых в центрах большинства галактик. За несколько лет эта команда значительно расширилась и сейчас насчитывает более трехсот участников из восьми десятков научных центров.
В апреле 2017 года участники коллаборации EHT произвели мониторинг пары компактных космических источников электромагнитного излучения, расположенных в ядрах двух сильно непохожих друг на друга галактик. Один из них, известный как Стрелец А* (Sgr A*), расположен в центре нашей спиральной Галактики, удаленном от Солнца на 27 тысяч световых лет. Все собранные к тому времени астрофизические данные говорили за то, что он представляет собой потоки высокотемпературной плазмы, вращающиеся вокруг черной дыры с массой в 3–4 миллиона солнечных масс и порождающие радиоволны посредством синхротронного излучения.
Второй источник пребывает в ядре гигантской эллиптической галактики М87 из созвездия Девы, удаленной от Солнца на 53–55 миллионов световых лет. Аналогичные соображения позволяли предполагать, что там находится черная дыра с массой в несколько миллиардов масс Солнца, тоже окруженная облаком горячего ионизированнного газа.
Весной 2019 года члены коллаборации обнародовали результаты мониторинга радиопотока от галактики М87, которые полностью подтвердили изначальные соображения о его природе. На их основе ученые сконструировали прогремевшее на весь мир изображение черной дыры в его центре (см. Черная дыра галактики M87: портрет в интерьере, «Элементы», 14.04.2019). Обработка наблюдений дыры в центре нашей Галактики заняла куда больше времени, и поэтому ее итоги только сейчас стали достоянием гласности. Полностью они представлены в десяти статьях (шесть основных и четыре дополнительных), опубликованных в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal Letters.
Новые результаты, как и их предшественников, можно с полным основанием считать триумфальным достижением не только новейших методов радиоастрономических наблюдений и их компьютерного анализа, но и социальной и информационной организации крупномасштабных исследовательских проектов в области астрономии и астрофизики.
Это обстоятельство, конечно, ни в коей мере не снижает значения данных, опубликованный сейчас и три года назад. Можно с уверенностью сказать, что в близком будущем реализация проекта EHT обещает великое множество ценнейших результатов — возможно, совершенно неожиданных. Простите за напоминание общеизвестной истины — новые эффективные исследовательские технологии всегда расширяют возможности научных исследований.
Теперь немного углубимся в физику. Черные дыры не подают никаких электромагнитных сигналов и выдают свое присутствие в космосе только собственным тяготением. Точнее, речь идет о сигналах, которые можно зарегистрировать с помощью радиотелескопов. Горизонт событий черной дыры в силу чисто квантовых эффектов должен служить источником излучения элементарных частиц, преимущественно фотонов, предсказанного в 1974 году Стивеном Хокингом и носящего его имя. Однако для черных дыр космических масштабов это излучение настолько слабо, что его нельзя детектировать не только современными, но и мыслимыми в обозримом будущем методами.
Сказанное относится только к черным дырам, окруженным пустотой космического вакуума. Однако многие дыры, расположенные в галактических ядрах, окружены кольцами горячей плазмы — так называемыми аккреционными дисками. В соответствии с законами электродинамики, такие диски генерируют мощное синхротронное излучение. Нередко оттуда выбрасываются релятивистские джеты — потоки заряженных частиц, движущиеся с субсветовой скоростью, которые служат еще одним источником фотонов.
Плазменное окружение внутригалактических черных дыр генерирует электромагнитные волны различных частот — от радио до жесткого рентгена. Суммарная мощность излучения дисков сверхмассивных дыр с самой интенсивной аккрецией доходит до 1048 эрг/сек. Для сравнения стоит отметить, что полная светимость звездного населения типичной галактики составляет 1044
эрг/сек. Поэтому сверхмассивные черные дыры можно исследовать как с помощью радиотелескопов, так и посредством инфракрасной, оптической и рентгеновской аппаратуры. Газовое окружение черных дыр с малой плотностью окружающего вещества светит на десять и более порядков слабее, однако тоже генерирует практически весь спектр электромагнитных волн за исключением гамма-лучей.Интересно, что ожидаемый результат мониторинга радиоизлучения черных дыр, проведенного коллаборацией EHT, был давно известен. В 1979 году французский астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) показал, что для отдаленного наблюдателя такая дыра должна выглядеть как светящееся кольцо с асимметрично распределенной яркостью (J.
-P. Luminet, 1979. Image of a spherical black hole with thin accretion disk). Оно сформировано из фотонов, которым удалось покинуть свои замкнутые орбиты вокруг горизонта событий черной дыры и уйти в окружающее пространство. Искривление световых лучей вблизи горизонта приводит к появлению внутри кольца более или менее сферического темного пятна — своего рода «тени» черной дыры. Именно такие картинки и видны на снимках, обнародованных только что и в 2019 году.
Эти изображения содержат важную информацию. Теория указывает, что радиус светящегося кольца в первую очередь зависит от массы черной дыры, что позволяет ее оценить с хорошей точностью: из-за эффектов ОТО получается, что радиус «тени» в 2,6 раза больше шварцшильдовского радиуса черной дыры (подробнее об этом см. в задаче Фотонная сфера и «тень» черной дыры). Именно это дважды проделали участники коллаборации EHT. В ходе реализации своего проекта они создали интегрированную сеть из восьми крупных радиообсерваторий, которая действует как исполинский радиотелескоп планетарного размера.
Она включает две чилийские обсерватории, APEX и ALMA, пару их партнеров на Гавайских островах, SMA и JCMT, мексиканский 50-метровый радиотелескоп LMT, радиотелескоп IRAM с 30-метровой антенной, расположенный на юге Испании неподалеку от Гранады, субмиллиметровый радиотелескоп SMT на горе Грэм в американском штате Аризона и телескоп SPT на Южном полюсе. Они образовали гигантский радиоинтерферометр, который регистрировал электромагнитные волны длиной 1,3 миллиметра и обеспечивал угловое разрешение порядка 25 дуговых микросекунд. Этого оказалось достаточно как для реконструкции изображений тени черных дыр и их плазменного окружения, так и для определения их масс. Для обработки первичных данных объемом 3,5 петабайт применялись мощные вычислительные комплексы, включая суперкомпьютер немецкого Института радиоастрономии Макса Планка. Кроме того, участники проекта создали уникальную библиотеку компьютерных симуляций черных дыр и их окружения, которые активно использовались и постоянно сравнивались с результатами наблюдений.
Как я уже отметил, планетарный интерферометр коллаборации EHT в апреле 2017 года провел многочасовые наблюдения обеих черных дыр. При этом мониторинг черной дыры в центре Млечного Пути оказался куда более трудоемким, хотя она и расположена примерно в две тысячи раз ближе к Земле, чем дыра в галактике М87. Это объясняется различиями в динамике плазменных потоков в окрестностях этих дыр. Диаметр горизонта событий дыры в галактике М87 в полторы тысячи раз превышает диаметр горизонта нашей «домашней» дыры. Хотя и там, и там частицы плазмы движутся с субсветовыми скоростями, их периоды обращения вокруг дыры различаются примерно в той же пропорции. Для дыры в центре Млечного Пути они измеряются несколькими минутами, а для дыры в ядре М87 — сутками и даже неделями. Поэтому фотонные потоки, достигаюшие Земли от дыры в центре Галактики, за время наблюдений сильно варьировали по структуре и яркости, в то время как излучение от дыры в М87 оставалось достаточно стабильным. Из-за этого обработка данных из центра Галактики потребовала создания новых алгоритмов и компьютерных программ и заняла намного больше времени.
По данным 2019 года, масса дыры в ядре галактики М87 в 6,5±0,7 миллиардов раз превышает массу Солнца. Черная дыра в ядре Млечного Пути куда скромнее, ее масса не превышает четырех миллионов солнечных масс. Эти оценки полностью согласуются с оценками масс этих дыр, которые были ранее получены другими методами, на чем я еще остановлюсь в конце статьи.
Новые результаты дали возможность сравнить данные по фотонному окружению двух черных дыр с весьма различными массами, что позволит лучше понять тонкие детали движения плазменных струй в их окрестности. Результаты такого сравнения, в свою очередь, приблизят разработку общей теории аккреционных дисков сверхмассивных черных дыр в гравитационных полях различной силы.
Конечно, «портреты» всего лишь пары дыр — это не так уж много. Однако коллаборация EHT продолжает работать. В марте она осуществила новую серию наблюдений с участием еще трех телескопов — гренландского GLT, суперсовременной антенной решетки NOEMA во французских Альпах и радиотелескопа с двенадцатиметровой антенной из аризонской обсерватории Китт-Пик.
Вероятно, в будущем к коллаборации подключатся и другие установки. В общем, всё только начинается.
Как я отметил, обе черные дыры были открыты довольно давно. Объект Стрелец A* плотно изучается уже свыше тридцати лет методами инфракрасной астрономии. Многолетнее наблюдение звездных орбит в его окрестности позволило убедительно доказать наличие там вращающейся черной дыры с гравитационным полем, соответствующим метрике Керра. Ученые также смогли определить ее массу, которую они оценили приблизительно в четыре миллиона солнечных масс. За это достижение немецкий астрофизик Райнхард Генцель и профессор Калифорнийского университета Андреа Гез получили Нобелевскую премию по физике 2020 года.
На наше счастье, эта дыра сейчас пребывает в спокойном состоянии. Полная мощность ее электромагнитного излучения, так называемая болометрическая светимость, во всех диапазонах не превышает 1036 эрг/сек. Это означает, что она в миллион раз уступает светимости дыры-миллиардника в галактике М87 и всего на два порядка превышает светимость Солнца.
Находись такая дыра в другой галактике, коллаборации EHT вряд ли удалось бы ее обнаружить. Масса ее аккреционного диска тоже невелика, скорее всего не более одной сотой процента солнечной массы. Соответственно, масштаб годовой аккреции вещества диска на дыру скорее всего не превышает одной миллионной массы Солнца. Наконец, в отличие от дыры в галактике М87 она лишена джета.
Интересно, что дыра в нашей Галактике замолкла совсем недавно. Всего лишь шесть миллионов лет назад эта черная дыра перешла в довольно активную фазу. От ее тогдашней вспышки осталась ударная волна, которая сейчас распространяется через пространство Галактики со скоростью порядка 3 миллиона километров в час. Она достигнет окрестностей Солнца через 3 миллиона лет.
Наличие в ядре галактики М87 исполинской черной дыры — тоже не новость. Это показали результаты спектрального анализа излучения ионизированного кислорода в ее центре, который был выполнен еще в конце прошлого века. Они продемонстрировали сильное уширение спектральных линий его излучения, которое ясно показало, что в ядре имеется чрезвычайно компактный центр сильнейшего притяжения.
Ученые тогда пришли к выводу, что таким центром может быть только черная дыра с массой не менее 3 миллиардов солнечных масс. Позднее, около 2010 года, астрономы пришли к заключению, что эта дыра тянет без малого на шесть с половиной миллиардов масс Солнца. Результаты коллаборации EHT полностью подтвердили и этот вывод.
Источники:
1) Материалы пресс-конференции ESO, посвященной «снимкам» черной дыры Sgr A*.
2) Серия статей The Event Horizon Telescope collaboration, First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results // The Astrophysical Journal Letters. 2022.
Алексей Левин
Поздоровайтесь со Стрельцом A*, черной дырой в центре галактики Млечный Путь
При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Коллаж показывает первое изображение черной дыры в центре Млечного Пути в ее местоположении на небе. (Изображение предоставлено: ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.
org), EHT Collaboration)Эта статья была первоначально опубликована по адресу The Conversation. (откроется в новой вкладке) Издание разместило статью на портале Space.com Expert Voices: Op-Ed & Insights .
Крис Импи , заслуженный профессор астрономии Университета Аризоны
под названием Стрелец A* (откроется в новой вкладке) , который находится в центре галактики Млечный Путь. Крис Импи, астроном из Аризонского университета, объясняет, как команда получила это изображение и почему оно так важно.
1. Что такое Стрелец А*?
Стрелец A* находится в центре нашей галактики Млечный Путь, в направлении созвездия Стрельца. На протяжении десятилетий астрономы измеряли выбросы радиоволн от чрезвычайно компактного источника.
В 1980-х годах две группы астрономов начали отслеживать движение звезд вблизи этого загадочного источника радиоволн. Они видели звезды, вращающиеся вокруг темного объекта со скоростью до трети скорости света.
По их движениям можно предположить, что в центре Млечного Пути находится черная дыра, в 4 миллиона раз превышающая массу Солнца . Рейнхард Генцель и Андреа Гез позже разделили Нобелевскую премию по физике за это открытие.
Размер черной дыры определяется ее горизонтом событий — расстоянием от центра черной дыры, в пределах которого ничто не может ускользнуть. Ученые ранее смогли подсчитать, что Стрелец A * имеет диаметр 16 миллионов миль (26 миллионов километров).
Черная дыра Млечного Пути огромна по сравнению с черными дырами, которые остаются после гибели массивных звезд (откроется в новой вкладке). Но астрономы считают, что в центре почти всех галактик есть сверхмассивные черные дыры. По сравнению с большинством из них Стрелец А* скуден и ничем не примечателен.
2. Что показывает новое изображение?
Невозможно сделать прямое изображение черной дыры, потому что ни один свет не может вырваться из-под ее гравитации. Но можно измерить радиоволны, излучаемые газом, окружающим черную дыру.
(Изображение предоставлено EHT Collaboration, CC BY-SA)Сами по себе черные дыры абсолютно темные, поскольку ничто, даже свет, не может избежать их гравитации. Но черные дыры окружены облаками газа, и астрономы могут измерить этот газ, чтобы вывести изображения черных дыр внутри. Центральная темная область на изображении — это тень, отбрасываемая черной дырой на газ. Яркое кольцо — это сам светящийся газ. Яркие пятна на кольце показывают области более горячего газа, который однажды может упасть в черную дыру.
Часть газа, видимого на изображении, на самом деле находится позади Стрельца A*. Свет от этого газа отклоняется мощной гравитацией черной дыры к Земле. Этот эффект, называемый гравитационным линзированием (открывается в новой вкладке), является основным предсказанием общей теории относительности (открывается в новой вкладке).
Галактические ядра, как и центр Млечного Пути, видимый на этой фотографии, полны газа и обломков, поэтому очень трудно получить какие-либо прямые изображения звезд или черных дыр там.
(Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech, CC BY-NC)3. Что пошло на создание этого изображения?
Сверхмассивные черные дыры чрезвычайно трудно измерить. Они находятся далеко и окутаны газом и пылью, забивающей центр галактик. Они также относительно малы по сравнению с необъятностью космоса. От того места, где находится Стрелец А*, на расстоянии 26 000 световых лет от центра Млечного Пути, только 1 из 10 миллиардов фотонов видимого света может достичь Земли — большая часть поглощается газом на пути. Радиоволны проходят через газ гораздо легче, чем видимый свет, поэтому астрономы измерили радиоизлучение газа, окружающего черную дыру. Оранжевые цвета на изображении представляют эти радиоволны.
Исследователи использовали восемь телескопов со всего мира, расположенных в точках пересечения белых линий, чтобы они действовали как единый массивный телескоп. (Изображение предоставлено ESO/L. Calçada, CC BY-ND) Команда использовала восемь радиотелескопов, разбросанных по всему миру (открывается в новой вкладке), для сбора данных о черной дыре в течение пяти ночей в 2017 году.
Каждую ночь генерировали так много данных, что команда не могла отправить их через Интернет — им приходилось доставлять физические жесткие диски туда, где они обрабатывали данные.
Поскольку черные дыры так трудно увидеть, в данных, которые собирают телескопы, существует много неточностей. Чтобы превратить все это в точное изображение, команда использовала суперкомпьютеры для создания миллионов различных изображений (открывается в новой вкладке), каждое из которых представляет собой математически жизнеспособную версию черной дыры, основанную на собранных данных и законах физики. Затем они смешали все эти изображения вместе, чтобы получить финальное красивое и точное изображение. Время обработки было эквивалентно работе 2000 ноутбуков на полной скорости в течение года.
4. Почему новое изображение так важно?
В 2019 году команда Event Horizon Telescope опубликовала первое изображение черной дыры — на этот раз в центре галактики M87. Черная дыра в центре этой галактики, названная M87*, представляет собой чудовище, в 2000 раз больше, чем Стрелец A*, и в 7 миллиардов раз больше массы Солнца.
Но поскольку Стрелец A* находится в 2000 раз ближе к Земле, чем M87*, телескоп Event Horizon смог наблюдать обе черные дыры с одинаковым разрешением, что дало астрономам возможность узнать о Вселенной, сравнив их.
Сходство двух изображений поразительно, потому что маленькие звезды и маленькие галактики выглядят и ведут себя совершенно иначе, чем большие звезды или галактики. Черные дыры — единственные существующие объекты, подчиняющиеся только одному закону природы — гравитации. А гравитации наплевать на масштаб (откроется в новой вкладке).
Последние несколько десятилетий астрономы считали, что в центре почти каждой галактики есть массивные черные дыры . В то время как M87* — необычно огромная черная дыра, Стрелец A*, вероятно, очень похож на многие из сотен миллиардов черных дыр в центрах других галактик во Вселенной.
5. На какие научные вопросы это может ответить?
На основе данных, собранных командой, предстоит еще много научных исследований.
Одним из интересных направлений исследования является тот факт, что газ, окружающий Стрелец A*, движется со скоростью, близкой к скорости света. Стрелец A* относительно мал, и материя просачивается в него очень медленно — если бы он был размером с человека, он потреблял бы массу одного рисового зерна каждый миллион лет. Но сделав множество снимков, можно было бы наблюдать за потоком материи вокруг черной дыры и внутрь нее в режиме реального времени. Это позволило бы астрофизикам изучить, как черные дыры потребляют материю и растут.
Картинка стоит тысячи слов, а по этому новому изображению уже опубликовано 10 научных статей (откроется в новой вкладке). Я ожидаю, что их будет еще много.
Эта статья переиздана с The Conversation (открывается в новой вкладке) под лицензией Creative Commons.
Прочтите оригинальную статью (откроется в новой вкладке) .
Следите за всеми вопросами и обсуждениями Expert Voices и участвуйте в обсуждениях на Facebook и Twitter. Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения издателя.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Черная дыра в центре нашей Галактики получена впервые
Второе в истории прямое изображение черной дыры — Стрелец A* в центре Млечного Пути. Предоставлено: сотрудничество Event Horizon Telescope
Радиоастрономы сфотографировали сверхмассивную черную дыру в центре Млечного Пути. Это всего лишь второе прямое изображение черной дыры после того, как та же команда представила историческое изображение более удаленной черной дыры в 2019 году.
.
Долгожданные результаты, представленные сегодня коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT), показывают изображение, напоминающее предыдущее: кольцо излучения окружает более темный диск точно такого размера, который был предсказан по косвенным наблюдениям и по Альберту. Общая теория относительности Эйнштейна.
«Сегодня, прямо в этот момент, у нас есть прямое доказательство того, что этот объект является черной дырой», — сказала Сара Иссаун, астрофизик из Гарвардского и Смитсоновского астрофизического центра в Кембридже, штат Массачусетс, на пресс-конференции в Гархинге, Германия. Команда опубликовала свои результаты в специальном выпуске Письма астрофизического журнала 1 .
«Мы так долго работали над этим, что время от времени вам приходится ущипнуть себя и помнить, что это черная дыра в центре нашей Вселенной», — сказала член команды EHT Кэти Боуман, специалист по вычислительной технике. исследователь изображений Калифорнийского технологического института в Пасадене на пресс-конференции в Вашингтоне.
«Я имею в виду, что может быть круче, чем увидеть черную дыру в центре Млечного Пути?»
Наблюдения черных дыр
В течение пяти ночей в апреле 2017 года коллаборация EHT использовала восемь обсерваторий по всему миру для сбора данных как о черной дыре Млечного Пути, названной Стрельцом A*, в честь созвездия, в котором она находится, так и о M87*, расположенной в центр галактики М87.
Черная дыра впервые запечатлена во всех деталях
Расположение обсерваторий варьировалось от Испании до Южного полюса и от Чили до Гавайев. Они собрали почти 4 петабайта (4000 терабайт) данных, что было слишком много для отправки через Интернет и приходилось перевозить самолетом на жестких дисках.
Исследователи EHT представили свое изображение M87* в 2019 году, демонстрирующее первое прямое свидетельство существования горизонта событий — сферической поверхности, покрывающей внутреннюю часть черной дыры.
Но данные Стрельца А* было сложнее анализировать.
Две черные дыры имеют примерно одинаковый видимый размер в небе, потому что M87* находится почти в 2000 раз дальше, но примерно в 1600 раз больше. Любые сгустки материи, вращающиеся по спирали вокруг M87*, покрывают гораздо большие расстояния — больше, чем орбита Плутона вокруг Солнца, — и излучение, которое они испускают, практически постоянно в коротких масштабах времени. Но Стрелец А* может быстро измениться, даже за те несколько часов, что EHT наблюдает за ним каждый день. «В M87* мы увидели очень мало изменений в течение недели», — говорит Хейно Фальке, астрофизик из Университета Радбауд в Неймегене, Нидерланды, и соучредитель коллаборации EHT. «Стрелец А* изменяется в масштабах времени от 5 до 15 минут».
Из-за этой изменчивости команда EHT создала не одно изображение Стрельца A*, а тысячи — и представленное сегодня изображение является результатом большой обработки. «Усредняя их вместе, мы можем выделить общие черты», — говорит член EHT Хосе Гомес из Института астрофизики Андалусии в Гранаде, Испания.
Помимо кольца излучения вокруг более темного диска, полученное изображение содержало три более ярких «узла». «Мы видим узлы на всех изображениях, которые мы создали», — говорит Иссаун, но у каждого они были в разных местах. Усредненные узлы, которые появляются на изображении, вероятно, являются артефактами метода интерферометрии, используемого EHT, добавляет она. Он реконструирует изображения с идеализированной радиотарелки размером с Землю, но только крошечные осколки тарелки могут принимать данные в любой момент времени.
Внешний вид отличается от M87*, у которого более яркая область на изображении имела форму полумесяца, что может указывать на более плотный сгусток материи, ускоряющийся в направлении луча зрения.
Следующей целью проекта является создание фильма о черной дыре, чтобы узнать больше о ее физических свойствах, сообщил журналистам на пресс-конференции в Вашингтоне Ферьял Озель, астрофизик из Аризонского университета в Тусоне.
Физики, разгадавшие тайны черных дыр, получают Нобелевскую премию
Команда EHT провела моделирование на суперкомпьютере для сравнения со своими данными и пришла к выводу, что Стрелец A*, вероятно, вращается против часовой стрелки вдоль оси, которая примерно указывает на луч зрения на Землю, сказал Гомес.
«Что меня поражает, так это то, что мы видим это лицом к лицу», — говорит Регина Капуто, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Космический гамма-телескоп Ферми НАСА, с которым работает Капуто, ранее обнаруживал гигантские светящиеся объекты над и под центром галактики, которые могли быть созданы Стрельцом А* в периоды интенсивной активности в прошлом. Но эти особенности, известные как пузыри Ферми, по-видимому, требуют, чтобы материя вращалась вокруг черной дыры с ребра, а не лицом к ней, как это видно с Земли.
Чрезвычайно массивный объект
Первые намеки на существование Стрельца А* появились в 1970-х годах, когда радиоастрономы обнаружили точечный радиоисточник в центральной области Галактики.
Источник оказался необычно тусклым, тусклее средней звезды. Тем не менее, многолетние наблюдения за движением близлежащих звезд показали, что объект был чрезвычайно массивным: используя самые последние наблюдения, ученые подсчитали, что его масса в 4,15 миллиона раз больше массы Солнца, плюс-минус 0,3%. Эти расчеты, сделанные путем отслеживания того, как звезды вращаются вокруг Стрельца A*, предоставили убедительные доказательства того, что радиоисточник настолько массивен и плотен, что может быть не чем иным, как черной дырой. Эта работа принесла Андреа Гез, астрофизику из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и Райнхарду Генцелю, директору Института внеземной физики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, долю Нобелевской премии по физике 2020 года. (Размер темной тени на изображении EHT предполагает, что черная дыра весит около 4 миллионов масс Солнца, что поразительно согласуется с более ранними оценками, хотя и не столь точно.)
Источник: Телескоп Event Horizon
Стрелец A* практически невидим для оптических телескопов из-за пыли и газа на галактическом диске.
Но начиная с конца 1990-х Фальке и другие поняли, что тень черной дыры может быть достаточно большой, чтобы ее можно было изобразить с помощью коротких радиоволн, которые могут пробить эту завесу. Но исследователи подсчитали, что для этого потребуется телескоп размером с Землю. К счастью, в этом может помочь метод, называемый интерферометрией. Он включает в себя одновременное наведение нескольких удаленных телескопов на один и тот же объект. По сути, телескопы работают как осколки одной большой тарелки (см. «Глобальные усилия»).
В первых попытках наблюдения Стрельца А* с помощью интерферометрии использовались относительно длинные 7-миллиметровые радиоволны и обсерватории, расположенные на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга. Все, что астрономы могли видеть, было размытым пятном.
Команды по всему миру усовершенствовали свои методы и модернизировали основные обсерватории, которые были добавлены в сеть. В частности, исследователи адаптировали для этой работы телескоп Южного полюса и большую миллиметровую/субмиллиметровую решетку Atacama стоимостью 1,4 миллиарда долларов США в Чили.
Затем, в 2015 году, группы объединились в коллаборацию EHT. Их наблюдательная кампания 2017 года была первой, которая охватила расстояния, достаточные для разрешения таких деталей, как размер Стрельца A*.
Планы на будущее
EHT собрала больше данных в 2018 году, но отменила свои запланированные кампании наблюдений в 2019 и 2020 годах. Они возобновили наблюдения в 2021 и 2022 годах с улучшенной сетью и более сложными инструментами.
Как охотиться за черной дырой с помощью телескопа размером с Землю
Ремо Тиланус, член EHT из Аризонского университета в Тусоне, говорит, что последние наблюдения группы в марте зафиксировали сигналы с вдвое большей частотой, чем в 2017 году, большинство из них на длине волны 0,87 мм, что должно помочь увеличить разрешение полученные изображения.
Исследователи надеются выяснить, есть ли у Стрельца A* джеты. Многие черные дыры, в том числе M87*, демонстрируют два луча вещества, быстро вылетающих в противоположных направлениях, что, как считается, является результатом интенсивного нагрева падающего газа и приводится в действие вращением черной дыры.