Монстр в центре галактики. Ученые впервые показали фото черной дыры на Млечном Пути
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, EHT collaboration
Подпись к фото,Фотография Стрельца A*, сделанная учеными
Ученые обнародовали первое фото гигантской (по-научному — сверхмассивной) черной дыры, притаившейся в самом центре Млечного Пути — нашей галактики.
Масса этого космического объекта под названием Стрелец A* (именно так, со звездочкой) в 4 млн (!) раз превышает массу нашего Солнца.
На снимке видна центральная темная область (центральная депрессия яркости), где и обитает эта черная дыра. Она окружена кольцом яркого света, который излучает перегретый газ, ускоряющийся под воздействием неимоверных гравитационных сил.
Чтобы понять масштабы, это кольцо по размерам сопоставимо с орбитой Меркурия, вращающегося вокруг Солнца — около 60 млн км в поперечнике.
К счастью для землян монстр находится весьма далеко от нас, за 26 тыс. световых лет, так что опасности быть затянутыми в эту дыру нет.
- «Абсолютный монстр»: ученым впервые удалось сфотографировать горизонт событий черной дыры
- Ученые получили самые детальные изображения галактик. По ним можно наблюдать за деятельностью черных дыр
- «Звездный монстр»: ученые обнаружили огромную черную дыру, которая не должна существовать
В 2019 году астрономам уже удалось сделать портрет другой сверхмассивной черной дыры — Мессье 87, или просто М 87, которая в тысячу раз превышает массу Стрельца и в 6,5 млрд раз — массу нашего Солнца, однако и находится она дальше, уже в другой галактике.
«Новая фотография — особенная, потому что это «наша» сверхмассивная черная дыра, — гордо заявляет один из учредителей проекта EHT, профессор астрофизики Хейно Фальке. — Эта дыра живет, так сказать, на нашем заднем дворе, и если вы хотите понять, как вообще живут и работают черные дыры, именно она сможет вам об этом рассказать, потому что мы видим ее во всех подробностях».
«Бублик на поверхности Луны»
Сама по себе фотография черной дыры — это уже огромное технологическое достижение. Несмотря на свои колоссальные размеры, Стрелец A* выглядит в небе крошечной точкой, и чтобы детально рассмотреть ее, требуется невероятная степень разрешения.
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.ПодкастЧто это было?Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Для этого в EHT воспользовались технологией под названием радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (VLBI).
По сути эта технология позволяет использовать сеть разнесенных на большое расстояние радиоантенн, которые вместе образуют радиотелескоп размером со всю нашу планету.
Таким образом угол наблюдаемого космического пространства может быть урезан до микроарксекунд — тысячных долей угловой секунды.
Такая узкая направленность настолько повышает остроту зрения, что если бы это был человек, он смог бы рассмотреть бублик на поверхности Луны.
Но даже при такой дальнозоркости, чтобы создать картинку черной дыры из нескольких петабайт (один петабайт равен миллиону гигабайт) собранных данных, понадобились сложные алгоритмы и бесконечные часы компьютерных вычислений.
Собственно говоря, поскольку черная дыра искривляет свет, увидеть можно только ее тень, однако яркость материи, окружающей эту тень и выплескивающейся наружу в кольцо, именуемое аккреционным диском, выдает местоположение самого черного монстра.
А в чем, собственно, новость?
Если сравнить снимки Стрельца и М87, на первый взгляд может показаться, что особой разницы между ними нет, но на самом деле это не так.
Наблюдение за обеими черными дырами велось в одно и то же время — в начале 2017 года, однако по сравнению со Стрельцом более массивная M87 выглядела почти статичной.
А вот структура кольца раскаленного газа вокруг Стрельца менялась в тысячу раз быстрее.
Это особенно заметно проявилось в созданных астрофизиками компьютерных моделях, позволяющих вам оказаться как бы в центре нашей галактики и своими глазами (правда, способными видеть в радиодиапазонах) наблюдать за этой черной дырой.
Эти быстрые изменения вокруг Стрельца A* как раз и стали причиной того, что над созданием образа этой черной дыры астрофизики трудились намного дольше, чем в случае с M87, ведь обработка данных потребовала куда больше усилий.
Автор фото, NASA
Подпись к фото,Инфракрасный телескоп Джеймс Уэбб внимательнее присмотрится к окружению черного монстра
Ученые давно уже подозревали, что сверхмассивные черные дыры предпочитают жить в центре галактик, ведь именно там возникают гравитационные силы, разгоняющие звезды до скорости в 24 тыс. км/c (наше Солнце, для сравнения, «ползет» по галактике со скоростью всего 230 км/с).
Однако награждая в 2020 году астрофизиков Райнхарда Генцеля и Андреу Гез за работу по изучению Стрельца A*, Нобелевский комитет сознательно избегал словосочетания «черная дыра» и упоминал лишь «сверхмассивный компактный объект» на случай, если для этого экзотического феномена найдется какое-то другое объяснение. Однако сегодня все сомнения окончательно отпали.
Уже в августе этого года новый телескоп Джеймс Уэбб (JWST), самый крупный космический телескоп с самым большим зеркалом, обратит свой взор на Стрельца A*.
Правда, у этой орбитальной инфракрасной обсерватории стоимостью 10 млрд долларов не хватит разрешения на то, чтобы напрямую заснять черную дыру и ее аккреционный диск, зато благодаря своим сверхчувствительным инструментам она поможет астрономам детально изучить поведение и свойства сотен звезд вокруг черной дыры.
Ученые даже надеются найти черные дыры размером с обычные звезды и сгустки невидимой, или черной материи в этом регионе Млечного Пути.
Центр Галактики: как астрономы рассмотрели главную черную дыру Млечного Пути
Научный мир облетела долгожданная новость — получено первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Для этого ученым понадобился телескоп размером с земной шар. Как это достижение стало возможным и почему оно так важно, объясняет научный обозреватель Forbes Анатолий ГлянцевАстрономы получили первое изображение центральной черной дыры Млечного Пути. Долгожданный успех потребовал труда более 300 исследователей из 80 научных центров. Астрономы связали в сеть восемь радиотелескопов, разбросанных от Испании до Гавайев и от Аризоны до Антарктиды. Результатом стало полученное с помощью радиоволн изображение. Называть его фотографией или снимком не слишком уместно. Тем не менее и фото в видимом свете выглядело бы примерно так же, если бы мы могли его получить.
На изображении можно видеть яркое кольцо с черным пятном в середине.
Это кольцо образовано излучением, кружащим вокруг черной дыры по спирали. Вообще-то радиоволны, как и лучи света, должны распространяться по прямой. Но гравитация черной дыры сильно искривляет пространство вокруг нее. И прямыми в этой новой геометрии являются линии, с нашей точки зрения очень далекие от прямых.
Часть радиоволн по спирали уходит под условную поверхность черной дыры — горизонт событий. После ее пересечения ничто, даже свет, уже не может вырваться обратно. Другая часть выходит наружу, в космос. Эти радиоволны сбегают от черной дыры и достигают наших антенн, позволяя нам любоваться ярким кольцом.
Черное пятно внутри кольца — это так называемая тень. Это область, не испускающая ни радиоволн, ни света, ни других излучений, как и положено черной дыре. Тень несколько шире, чем сама черная дыра, скрывающаяся в ее центре.
Если эта картинка кажется вам знакомой, вы не ошиблись.
Она очень похожа на изображение центральной черной дыры галактики М87, опубликованное в 2019 году той же научной коллаборацией.
Теперь ученые располагают уже двумя «портретами» черных дыр, которые различаются по массе более чем в 1000 раз и находятся в двух очень непохожих галактиках. Сравнивая их между собой, исследователи глубже проникнут в свойства сверхмассивных черных дыр — возможно, самых загадочных и экзотических объектов Вселенной.
Физика почти невозможного
Черные дыры предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, связывающей воедино пространство, время и тяготение. Физики-экспериментаторы и астрономы-наблюдатели много десятилетий устраивают этой теории самые разные тесты, и пока она их с блеском проходит. Но прямое наблюдение черных дыр — одна из самых радикальных проверок.
Это не тонкие, едва заметные эффекты вроде изменения хода часов на спутниках Земли, а грубое насилие гравитации над пространством и временем. Если столь экстремальный процесс подчиняется строгим требованиям теории относительности, значит, одна из самых красивых и глубоких теорий в истории науки выдержала суровое испытание. А если вдруг нет (кто знает?), то теоретикам придется искать новые ключи к реальности — задача столь же трудная, сколь и заманчивая.
Роль центральных черных дыр в жизни галактик тоже полна загадок — ясно лишь, что она велика.
По мнению разных исследователей, эти монстры могут останавливать рост галактик и даже создавать пригодные для жизни планеты.
Словом, черные дыры интересуют всех. Но наблюдать их не так-то просто, даже если речь идет о ближайшей сверхмассивной черной дыре — нашей собственной.
Материал по темеДыра в сердце
Астрономы уже почти столетие знают, что в сердце Млечного Пути находится нечто интересное. В 1930-х инженеры, создававшие новые системы связи, буквально наткнулись на радиоволны из центра Галактики. Так и началась история радиоастрономии. В 1970-е стало понятно, что источник этих волн — очень компактное и яркое тело в созвездии Стрельца. Оно получило название Стрелец А*. Когда появились рентгеновские и инфракрасные телескопы, оказалось, что загадочный объект ярко светится и в этих диапазонах.
Но что же он представляет собой?
Ученые подозревали, что это черная дыра, окруженная диском постепенно падающего на нее вещества. Могучая гравитация «хищницы» разгоняет материю до околосветовых скоростей. Сталкиваясь друг с другом, потоки вещества разогреваются трением до миллионов градусов. Окружающий черную дыру диск раскаленной материи идеально подходит на роль «светильника», сияющего во всех диапазонах — от радиоволн до рентгеновских лучей. Он был бы виден и в оптические телескопы, не будь центр Галактики закрыт облаками пыли, поглощающей свет.
Но правдоподобная гипотеза — совсем не то же самое, что установленный факт. Доказательства, что в Стрельце А* угнездилась именно черная дыра и ничто иное, появились лишь спустя десятилетия. Их добыли научные группы под руководством Райнхарда Генцеля и Андреа Гез. В 2020 году они получили за эту работу Нобелевскую премию по физике (совместно с теоретиком Роджером Пенроузом).
Группы Генцеля и Гез наблюдали в инфракрасные телескопы за звездами, обращающимися вокруг Стрельца А*. Нанеся на карту орбиты этих светил, эксперты вычислили массу и размер центрального тела. Это был очень кропотливый труд: приступив к нему в начале 1990-х, ученые опубликовали результаты только в 2008 году.
Из этих результатов следовало: небесное тело в центре Стрельца А* размерами не превосходит Солнечной системы, но имеет массу в 4 млн солнц. Следовательно, оно может быть только черной дырой. Других объектов с подобными свойствами просто не существует (разве что в самых экзотических теориях).
Сравнение размеров двух черных дыр — M87* и Стрелец A* (Фото ESO)Итак, существование сверхмассивной черной дыры в Стрельце А* (а вместе с ней и существование черных дыр вообще) было доказано. Тем не менее астрономы в буквальном смысле никогда ее не видели.
И немудрено. Согласно теории, черная дыра массой в 4 млн солнц имеет диаметр в 24 млн км. Это примерно 16% расстояния от Земли до Солнца, то есть много меньше верхнего предела, установленного по наблюдениям Генцеля и Гез. При этом она находится в 27 000 (или, по новым данным, в 25 800) световых лет от нас. С такого расстояния объект радиусом в 16% земной орбиты — все равно что спичечный коробок на Луне. Никакой отдельно взятый телескоп, оптический или какой угодно, не в силах его разглядеть.
Телескоп размером с планету
Однако и коробок спичек на Луне — посильная цель для нескольких телескопов, объединенных в один. Такие системы называются интерферометрами. Возьмем два инструмента, разнесенных, скажем, на 1000 км, и объединим принимаемый ими сигнал.
Правда, этот виртуальный инструмент получит лишь часть информации, доступной тысячекилометровому исполину. Поэтому желательно использовать не два телескопа, а целую сеть инструментов на разных расстояниях друг от друга. Чем гуще эта сеть, тем ближе она по своим возможностям к гигантскому цельному телескопу.
Интерферометры, как и одиночные инструменты, можно делать оптическими, инфракрасными и любыми другими. Но есть нюанс. Расстояние между отдельными телескопами в сети нужно контролировать с точностью до длины волны принимаемого излучения. Иначе система просто не будет работать.
Радиоволны имеют длину от миллиметра и выше. Выдерживать тысячекилометровые дистанции с такой точностью трудно, но возможно.
Инфракрасные волны короче, световые — еще короче, и т.д. Так что во всех диапазонах, кроме радио, о межконтинентальных интерферометрах пока можно только мечтать. Поэтому задача разглядывать «коробки на Луне» ложится на плечи радиоастрономов, и эти коробки должны быть радиопередатчиками. К счастью, Стрелец А* как раз из таких.
Портрет монстра в его логове
Сеть радиотелескопов, обеспечившая долгожданный прорыв, носит название Event Horizon Telescope (EHT), то есть Телескоп горизонта событий. Название отражает цель проекта — разглядеть горизонт событий черной дыры.
Специалисты тестировали и настраивали EHT несколько лет. В 2017 году сеть достигла разрешения, позволяющего «увидеть» черную дыру. На этот момент она насчитывала восемь телескопов, расположенных в Испании, Мексике, Чили, на Гавайях, в материковой части США и в Антарктиде.
Выбор географии не случаен: чтобы работать вместе, все инструменты должны находиться в одной половине земного шара. В данном случае это Западное полушарие. Астрономы стран Восточного полушария, в том числе российские, не могли подключить к сети свои телескопы. Однако они участвовали в других важных этапах работы, например, в обработке полученных данных.
Более того, в итоге далекая черная дыра оказалась куда более удобным объектом наблюдений.
Вот почему это произошло.
Обе черные дыры окружены светящимися дисками вещества, кружащими вокруг них с околосветовой скоростью. Но диск вокруг черной дыры в галактике М87 имеет огромный диаметр. Поэтому внешние слои этого диска совершают полный оборот за несколько недель, а внутренние — за несколько дней. В Стрельце А* диск куда более узкий, и на полный оборот ему хватает нескольких минут. А наблюдения между тем занимали много часов. Это было похоже на попытку снять беспорядочно летающую муху на фотоаппарат с долгой экспозицией.
Чтобы преодолеть эти трудности, ученым пришлось разработать новые алгоритмы обработки данных и целую библиотеку компьютерных моделей черных дыр. Поэтому изображение черной дыры в Стрельце А* и было готово на целых три года позже, чем в М87*.
К слову, с тех пор к сети EHT присоединились три новых телескопа, расположенных в США, Франции и Гренландии.
Присоединение гренландского инструмента особенно важно: теперь сеть перекрывает почти все полушарие не только с запада на восток, но и с севера на юг. Так что в скором будущем мы можем увидеть новые, еще более подробные портреты черных дыр.
Астрономы показали первое изображение черной дыры в центре нашей Галактики
Астрономы представили первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Этот результат предоставляет убедительные доказательства того, что объект действительно является черной дырой, и дает ценные сведения о работе таких гигантов, которые, как считается, находятся в центре большинства галактик. Изображение было создано глобальной исследовательской группой под названием Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration с использованием наблюдений всемирной сети радиотелескопов.
Изображение представляет собой долгожданный взгляд на массивный объект, который находится в самом центре нашей галактики.
Ранее ученые видели звезды, вращающиеся вокруг чего-то невидимого, компактного и очень массивного в центре Млечного Пути. Это убедительно свидетельствует о том, что этот объект, известный как Стрелец A* (Sgr A*, произносится как «sadge-ay-star»), является черной дырой, и сегодняшнее изображение дает первое прямое визуальное свидетельство этого.
Хотя мы не можем видеть саму черную дыру, потому что она совершенно темная, светящийся газ вокруг нее дает характерный признак: темную центральную область (называемую «тенью»), окруженную яркой кольцеобразной структурой. Новый вид фиксирует свет, искривленный мощной гравитацией черной дыры, которая в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца.
« Мы были ошеломлены тем, насколько точно размер кольца согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна», — сказал ученый проекта EHT Джеффри Бауэр из Института астрономии и астрофизики Академии Синика, Тайбэй. «Эти беспрецедентные наблюдения значительно улучшили наше понимание того, что происходит в самом центре нашей галактики, и предложили новое понимание того, как эти гигантские черные дыры взаимодействуют со своим окружением».
Результаты группы EHT публикуются сегодня в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters.
Поскольку черная дыра находится на расстоянии около 27 000 световых лет от Земли, нам кажется, что в небе она имеет примерно такой же размер, как пончик на Луне. Чтобы получить его изображение, команда создала мощный EHT, который соединил восемь существующих радиообсерваторий по всей планете, чтобы сформировать единый виртуальный телескоп размером с Землю [1]. EHT наблюдал Sgr A * несколько ночей, собирая данные в течение многих часов подряд, подобно использованию длинной выдержки на камере.
Прорыв последовал за коллаборацией EHT в 2019 году.выпуск первого изображения черной дыры, названной M87*, в центре более далекой галактики Мессье 87.
Две черные дыры выглядят удивительно похожими, хотя черная дыра нашей галактики более чем в тысячу раз меньше и менее массивна, чем M87* [2]. «У нас есть два совершенно разных типа галактик и две очень разные массы черных дыр, но вблизи края этих черных дыр они выглядят поразительно похожими», — говорит Сера Маркофф, сопредседатель Научного совета EHT и профессор теоретической астрофизики в Университете Амстердама, Нидерланды.
«Это говорит нам о том, что общая теория относительности управляет этими объектами вблизи, и любые различия, которые мы видим дальше, должны быть связаны с различиями в материале, окружающем черные дыры».
Это достижение было значительно сложнее, чем для M87*, хотя Sgr A* гораздо ближе к нам. Ученый EHT Чи-Кван (ЧК) Чан из Обсерватории Стюарда и Департамента астрономии и Института науки о данных Университета Аризоны, США, объясняет: «Газ в окрестностях черных дыр движется с той же скоростью, что и — почти со скоростью света — вокруг Sgr A* и M87*. Но там, где газу требуется от нескольких дней до нескольких недель, чтобы совершить оборот вокруг большего M87*, в гораздо меньшем Sgr A* он совершает полный оборот за считанные минуты. Это означает, что яркость и структура газа вокруг Sgr A* быстро менялись по мере того, как коллаборация EHT наблюдала за ним — это немного похоже на попытку сделать четкий снимок щенка, который быстро гоняется за своим хвостом».
Исследователям пришлось разработать новые сложные инструменты, которые учитывали бы движение газа вокруг Sgr A*.
В то время как M87* была более легкой и устойчивой целью, почти все изображения которой выглядели одинаково, это не относится к Sgr A*. Изображение черной дыры Sgr A* представляет собой среднее значение различных изображений, извлеченных командой, и, наконец, впервые показывает гиганта, скрывающегося в центре нашей галактики.
Это стало возможным благодаря изобретательности более 300 исследователей из 80 институтов по всему миру, которые вместе составляют коллаборацию EHT. В дополнение к разработке сложных инструментов для решения проблем с визуализацией Sgr A*, команда усердно работала в течение пяти лет, используя суперкомпьютеры для объединения и анализа своих данных, одновременно собирая беспрецедентную библиотеку смоделированных черных дыр для сравнения с наблюдениями.
Ученые особенно взволнованы тем, что наконец-то получили изображения двух черных дыр очень разных размеров, что дает возможность понять, как они сравниваются и контрастируют. Они также начали использовать новые данные для проверки теорий и моделей поведения газа вокруг сверхмассивных черных дыр.
Этот процесс еще не до конца изучен, но считается, что он играет ключевую роль в формировании и эволюции галактик.
«Теперь мы можем изучить различия между этими двумя сверхмассивными черными дырами, чтобы получить новые ценные сведения о том, как работает этот важный процесс», сказал ученый EHT Кейичи Асада из Института астрономии и астрофизики, Academia Sinica, Тайбэй. «У нас есть изображения двух черных дыр — одного на большом конце и одного на маленьком конце сверхмассивных черных дыр во Вселенной — так что мы можем пойти намного дальше в тестировании того, как гравитация ведет себя в этих экстремальных условиях, чем когда-либо прежде».
Прогресс в области EHT продолжается: в марте 2022 года в рамках крупной наблюдательной кампании было задействовано больше телескопов, чем когда-либо прежде. Продолжающееся расширение сети EHT и значительные технологические обновления позволят ученым в ближайшем будущем делиться еще более впечатляющими изображениями и видеороликами черных дыр.
Примечания
[1] Отдельными телескопами, участвовавшими в EHT в апреле 2017 года, когда проводились наблюдения, были: Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка (ALMA), Atacama Pathfinder Experiment (APEX), 30-метровый телескоп IRAM, Джеймс Телескоп Клерка Максвелла (JCMT), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (LMT), Субмиллиметровая решетка (SMA), Субмиллиметровый телескоп UArizona (SMT), Телескоп Южного полюса (SPT). С тех пор EHT добавила к своей сети Гренландский телескоп (GLT), Северную расширенную миллиметровую решетку (NOEMA) и 12-метровый телескоп UArizona на Китт-Пик.
ALMA является партнерством Европейской южной обсерватории (ESO; Европа, представляющая ее государства-члены), Национального научного фонда США (NSF) и Национальных институтов естественных наук (NINS) Японии вместе с Национальным исследовательским советом (Канада). ), Министерством науки и технологий (МОСТ; Тайвань), Институтом астрономии и астрофизики Academia Sinica (ASIAA; Тайвань) и Корейским институтом астрономии и космических наук (KASI; Республика Корея) в сотрудничестве с Республикой Чили.
Объединенная обсерватория ALMA управляется ESO, Associated Universities, Inc./Национальной радиоастрономической обсерваторией (AUI/NRAO) и Национальной астрономической обсерваторией Японии (NAOJ). APEX, результат сотрудничества между Институтом радиоастрономии им. Макса Планка (Германия), Космической обсерваторией Онсала (Швеция) и ESO, управляется ESO. 30-метровый телескоп находится в ведении IRAM (организациями-партнерами IRAM являются MPG (Германия), CNRS (Франция) и IGN (Испания)). JCMT управляется Восточноазиатской обсерваторией от имени Центра астрономической меганауки Китайской академии наук, NAOJ, ASIAA, KASI, Национального института астрономических исследований Таиланда и организаций в Соединенном Королевстве и Канаде. LMT эксплуатируется INAOE и UMass, SMA эксплуатируется Центром астрофизики | Harvard & Smithsonian и ASIAA, а также UArizona SMT находятся в ведении Университета Аризоны. SPT управляется Чикагским университетом со специализированным оборудованием EHT, предоставленным Аризонским университетом.
Гренландский телескоп (GLT) управляется ASIAA и Смитсоновской астрофизической обсерваторией (SAO). GLT является частью проекта ALMA-Taiwan и частично поддерживается Academia Sinica (AS) и MOST. NOEMA находится в ведении IRAM, а 12-метровый телескоп UArizona в Китт-Пик находится в ведении Университета Аризоны.
[2] Черные дыры — единственные известные нам объекты, масса которых зависит от размера. Черная дыра в тысячу раз меньше другой и в тысячу раз менее массивна.
Дополнительная информация
Консорциум EHT состоит из 13 заинтересованных институтов; Институт астрономии и астрофизики Academia Sinica, Аризонский университет, Центр астрофизики | Гарвардский и Смитсоновский институт, Чикагский университет, Восточноазиатская обсерватория, Университет Гёте во Франкфурте, Миллиметрический институт радиоастрономии, Большой миллиметровый телескоп, Радиоастрономический институт им. Макса Планка, Массачусетский технологический институт обсерватории Хейстек, Национальная астрономическая обсерватория Японии, Институт теоретической физики периметра и Университет Рэдбауд.
Контакт
Джеффри Бауэр
Научный сотрудник проекта EHT
Институт астрономии и астрофизики, академический Синика, Тайбэй
Электронная почта: [email protected]
Huib Jan van Langevelde
Директор проекта EHT,
JIVE и Университет Лейдена, Нидерланды
Электронная почта: [email protected]
Первое изображение черной дыры в центре Млечного Пути
Это первое изображение Стрельца A* (или сокращенно Sgr A*), сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Это первое прямое визуальное свидетельство присутствия этой черной дыры. Он был захвачен Телескопом горизонта событий (EHT), массивом, который соединил восемь существующих радиообсерваторий по всей планете, чтобы сформировать единый виртуальный телескоп «размером с Землю». Телескоп назван в честь «горизонта событий», границы черной дыры, за которую не может выйти свет.
Хотя мы не можем видеть сам горизонт событий, потому что он не может излучать свет, светящийся газ, вращающийся вокруг черной дыры, обнаруживает контрольную сигнатуру: темную центральную область (называемую «тенью»), окруженную яркой кольцеобразной структурой.
Новый вид фиксирует свет, искривленный мощной гравитацией черной дыры, которая в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца. Изображение черной дыры Sgr A* представляет собой среднее значение различных изображений, полученных коллаборацией EHT из наблюдений 2017 года.
Кредит: Сотрудничество EHT
Изображение в полном разрешении: Квадрат: [ TIFF | JPEG ] Широкий фон: [ TIFF | JPEG]
Создание изображения черной дыры в центре Млечного Пути
Коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) создала единое изображение (верхний кадр) сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики, названной Стрелец A* (или Sgr A* для краткости), путем объединения изображений, извлеченных из наблюдений EHT. .
Основное изображение было получено путем усреднения тысяч изображений, созданных с использованием различных вычислительных методов, и все они точно соответствуют данным EHT. Это усредненное изображение сохраняет особенности, которые чаще всего встречаются на различных изображениях, и подавляет особенности, которые проявляются нечасто.
Изображения также могут быть сгруппированы в четыре группы на основе схожих признаков. Усредненное репрезентативное изображение для каждого из четырех кластеров показано в нижнем ряду. Три скопления имеют кольцевую структуру, но с разным распределением яркости вокруг кольца. Четвертый кластер содержит изображения, которые также соответствуют данным, но не выглядят кольцевыми.
Гистограммы показывают относительное количество изображений, принадлежащих каждому кластеру. В каждый из первых трех кластеров попали тысячи изображений, а четвертый, самый маленький кластер, содержит всего сотни изображений. Высота столбцов указывает относительный «вес» или вклад каждого кластера в усредненное изображение вверху.
Изображение предоставлено: сотрудничество EHT
Изображение в полном разрешении: [TIFF | JPEG]
Примечание. Если не указано иное, изображения и видео из EHT, а также тексты пресс-релизов, объявлений, изображений недели, сообщений в блогах и подписей доступны под лицензией Creative Commons Attribution 4.
0 International License и могут -исключительная основа может быть воспроизведена без платы при условии, что кредит четкий и видимый. Лицензия разрешает адаптацию материала, но любая адаптация не влияет на использование оригинального материала EHT другими лицами по лицензии Creative Commons и не препятствует этому.
Институциональные пресс-релизы (в алфавитном порядке):
- Academia Sinica Институт астрономии и астрофизики
- Большой миллиметровый/субмиллиметровый массив Atacama
- Проект камеры черной дыры
- Калифорнийский технологический институт
- центр астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт
- Европейская южная обсерватория
- Миллиметрический институт радиоастрономии
- Институт перспективных исследований
- Instituto Nacional de Astronomía, Optica y Electrónica
- Объединенный институт РСДБ-ERIC
- Массачусетский Институт Технологий
- Национальная астрономическая обсерватория Японии
- Национальная радиоастрономическая обсерватория
- Национальный научный фонд
- Университет Радбауд Неймеген
- Шанхайская астрономическая обсерватория
- Университет Аризоны
- Чикагский университет
- Массачусетский университет в Амхерсте
- Техасский университет в Сан-Антонио
Пресс-конференции по всему миру (видеозапись):
- Гархинг, Германия – Европейская южная обсерватория
- Мадрид, Испания — Высший совет научных исследований
- México DF, Мексика — Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
- Рим, Италия — Национальный институт астрофизики
- Сантьяго-де-Чили — Обсерватория ALMA
- Вашингтон, округ Колумбия, США — Национальный научный фонд
- Тайбэй — Институт астрономии и астрофизики Academia Sinica
- Токио, Япония — Национальная астрономическая обсерватория Японии
Дополнительный материал:
- Карта сотрудничества EHT, включая все телескопы и учреждения, участвующие в наблюдательной кампании (кредит: Ян Родер, MPIfR)
- Видео:
- Знакомьтесь, Sgr A*: приближение к черной дыре в центре нашей галактики (Европейская южная обсерватория)
- Как сфотографировать черную дыру Млечного Пути: Стрелец A* (Калифорнийский технологический институт)
- Главное: первое в истории изображение черной дыры Млечного Пути (Национальный научный фонд)
- Представляем Стрельца A * (Национальный научный фонд)
- EHT-изображение черной дыры в SgrA * — ученые MPIfR рассказывают историю (Max-Planck-Institut für Radioastronomie)
- Создание изображения черной дыры в центре Млечного Пути (Гете-Университет Франкфурта)
- Моделирование: как газ вращается вокруг черной дыры в центре нашего Млечного Пути (Гете-Университет Франкфурта)
- Захватывающее путешествие в нашу черную дыру (Black Hole PIRE, Аризонский университет) — переводы на испанский, кантонский, немецкий, японский и китайский языки.
- Физика в масштабе горизонта вокруг Стрельца A * (Black Hole PIRE, Аризонский университет)
- Дополнительные визуальные эффекты можно найти здесь.
Сверхмассивная черная дыра характерна для большинства галактик
12 мая 2022 года группа Телескопа Горизонта Событий объявила, что они сделали первое в истории изображение Стрельца A*, черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь. Здесь мы видим изображение (вставка). Изображение через Чандру. Телескоп Event Horizon — та же группа, которая в 2019 году получила первое в истории изображение сверхмассивной черной дыры в галактике M87 — заявляет, что сделает революционное заявление в четверг, 12 мая 2022 года. Пресс-конференция будет проходить в штаб-квартире ESO в Гархинге, Германия, начиная с 15 CEST (13 UTC или 8 утра CDT). Пресс-конференция посвящена Стрельцу A*, сверхмассивной черной дыре в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Может ли это быть первое в истории изображение сверхмассивной черной дыры нашей галактики? Полная версия пресс-конференции будет транслироваться на канале ESO в YouTube.
Пока вы ждете, вот немного предыстории сверхмассивных черных дыр!
Сверхмассивная черная дыра для большинства галактик
Современные астрономы считают, что в сердце большинства галактик, включая наш Млечный Путь, есть сверхмассивные черные дыры.
Они называются сверхмассивными , потому что их масса в миллионы или миллиарды раз превышает массу нашего Солнца.
Таким образом, их масса значительно превышает массу так называемых черных дыр звездной массы (в несколько раз больше массы нашего Солнца и, возможно, в 150 раз больше массы нашей звезды). Кроме того, существует популяция так называемых черных дыр промежуточной массы, также называемых черными дырами Златовласки, существование которых было подтверждено только недавно, и чей верхний предел массы еще предстоит определить.
Самая легкая из обнаруженных сверхмассивных черных дыр — в карликовой галактике RGG 118, удаленной на 340 миллионов световых лет — имеет массу всего в 90 220 50 000 раз больше массы нашего Солнца.
На другом конце шкалы находится настоящий монстр: черная дыра в центре квазара TON 618. Она обладает массой 66 миллиардов солнечных , самой массивной из обнаруженных.
Между этими двумя крайностями масса сверхмассивной черной дыры обычно в миллионы раз превышает массу нашего Солнца. Тот, что находится в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, например, обладает 4,6 миллиона солнечных масс .
Представление художника о паре сверхмассивных черных дыр в центре галактики в ранней Вселенной. Гравитация одной черной дыры (справа) искажает свет черной дыры-компаньона и ее джетов. Астрономы считают, что практически все галактики имеют в своем сердце сверхмассивные черные дыры. Изображение предоставлено Caltech/R. Hurt (IPAC).Откуда мы знаем?
Но поскольку черные дыры черные, откуда мы знаем, что они вообще существуют? Что выдает их присутствие в центре галактики? Ведь черные дыры не излучают никакого видимого света: на расстоянии они невидимы.
Хотя сами черные дыры не излучают видимого света и, следовательно, невидимы в оптические телескопы, они может излучать большое количество света за пределами видимого спектра — чаще всего это радио-, рентгеновское и гамма-излучение.
Это электромагнитное излучение исходит не от самой черной дыры, а от окружающего ее материала. Многие сверхмассивные черные дыры в центрах галактик погружены в водовороты газа и пыли, известные как аккреционные диски. Поскольку частицы в этих дисках, ускоренные гравитацией черной дыры, чтобы вращаться вокруг нее со скоростью, составляющей значительный процент от скорости света, неоднократно сталкиваются друг с другом, они нагреваются, в конечном итоге достигая температуры в миллионы градусов. Следовательно, они генерируют огромное количество рентгеновских лучей.
Астрономы, использующие рентгеновские телескопы, такие как орбитальная обсерватория НАСА Чандра, могут видеть эти излучения на огромных расстояниях.
Но не все сверхмассивные черные дыры окружены аккреционными дисками.
Некоторые из них называются покоящимися : они могли иметь или не иметь аккреционные диски в прошлом. Почему они молчат? Это потому, что весь газ и пыль в пределах досягаемости их гравитации были проглочены. Поэтому нет никакого излучения, чтобы выдать их присутствие. Некоторые из них могут периодически испускать короткие вспышки, когда блуждающее газовое или пылевое облако подлетает слишком близко, нагревается и излучает рентгеновское излучение, прежде чем поглотится черной дырой. Наблюдалось даже, что черные дыры ярко вспыхивают, поглощая целые звезды!
Сверхмассивная черная дыра в Млечном Пути
Наша собственная локальная сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь, называемая Стрельцом A* и часто обозначаемая просто Sag A* , представляет собой покоящуюся сверхмассивную черную дыру. 26 000 световых лет от нас. Он неравномерно вспыхивает в диапазоне волновых диапазонов, от радио до гамма, но наиболее заметно в ближнем инфракрасном диапазоне.
Механизм, ответственный за генерацию этих вспышек, еще не изучен. Это может означать потребление черной дырой пыли и газа или что-то еще, о чем мы ничего не знаем.
Поскольку центр нашей галактики находится относительно близко, в отличие от далеких галактик, астрономы могут наблюдать звезды там. В частности, они могут видеть, как движутся звезды и с какими скоростями. В центре Млечного Пути около сотни звезд вращаются вокруг Пробела A*, удерживаемые его гравитационным рабством. С 1995 года астрономы кропотливо рисовали движения дюжины или звезд, которые находятся ближе всего к черной дыре, и анимировали их траектории на основе данных. Понятно, что они вращаются вокруг какого-то невидимого объекта. По их траекториям и скоростям астрономы могут вычислить массу объекта, вокруг которого они вращаются, и получили цифру в 4,6 миллиона раз больше массы нашего Солнца.
Итак, мы знаем, что в центре нашей галактики находится сверхмассивный невидимый объект, который разгоняет ближайшие звезды до невероятных скоростей.
Звезда, которая вращается ближе всего к Sag A*, обозначенная как S2, ускоряется до 11 миллионов миль в час при максимальном сближении! Его орбита проходит в пределах 120-кратного расстояния от Земли до Солнца от черной дыры; его год, или время, необходимое для совершения одного оборота Стрельца А*, составляет 15 земных лет.
Эти исследования нашего галактического центра вне всяких разумных сомнений продемонстрировали, что в центре Млечного Пути есть собственное темное чудовище. Все наблюдения звезд, вращающихся вокруг звезды Sag A*, подтвердили предсказания теории относительности Эйнштейна в отношении объектов, вращающихся вокруг черных дыр. В 2020 году Андреа Гез и Рейнхард Гензель были удостоены Нобелевской премии по физике за открытие прогиба A * и тщательное картографирование галактического центра на протяжении десятилетий.
Поскольку масса сверхмассивных черных дыр сильно различается, их размеры также сильно различаются. Считается, что прогиб A * имеет диаметр около 14 миллионов миль.
TON 618 с массой 66 миллиардов солнечных, по расчетам, составляет 262 миллиардов миль в поперечнике! Это более чем в 90 220 43 902 21 раза больше диаметра всей нашей Солнечной системы!
Откуда они взялись?
Но откуда берутся сверхмассивные черные дыры и как они могут накопить такое непостижимое количество массы? Здесь все становится немного сложнее. Суть в том, что эволюция сверхмассивных черных дыр до сих пор горячо обсуждается. Мы даже не знаем, все ли они формируются одинаково или же действуют различные механизмы.
Нам известно следующее: сверхмассивные черные дыры существовали в очень ранней Вселенной, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Как они так быстро стали такими огромными, до сих пор остается загадкой. Возможно, эти ранние монстры срастались через черные дыры меньшей массы, сливаясь вместе, в конечном итоге образуя сверхмассивную черную дыру.
Другая идея заключается в том, что они образовались в результате самопроизвольного коллапса огромных облаков водорода. Сжимайте что-либо во Вселенной до определенного размера и плотности, и оно образует черную дыру: например, если вы сожмете Землю до размеров шарика, вот что произойдет. Но дело в том, что мы не знаем, какая модель верна.
Ученые надеются, что космический телескоп Джеймса Уэбба, который должен начать свои научные наблюдения этим летом, поможет ответить на вопрос, как такие массивные монстры могли существовать во Вселенной так рано: телескоп должен иметь возможность заглянуть в прошлое, чтобы «всего» через 200 миллионов лет после Большого взрыва, чтобы увидеть формирование первых галактик.
Что было раньше?
Также возникает вопрос, почему в центрах большинства галактик есть сверхмассивные черные дыры. Какова связь между галактикой и ее черной дырой? В последние годы этот вопрос стал предметом многочисленных исследований. Итак, образовалась ли сначала галактика, а затем образовалась ее сверхмассивная черная дыра, или же сначала образовалась сверхмассивная черная дыра, а затем галактика аккрецировала вокруг нее? Этот вопрос о курице и яйце никоим образом не решен.
Кроме того, существует любопытная линейная зависимость между массой сверхмассивной черной дыры и окружающей ее галактической выпуклостью: чем массивнее черная дыра, тем больше массы в выпуклости. Это указывает на некоторую совместную эволюцию между ними, но что это за отношения и что они собой представляют, мы пока не знаем.
Мы знаем, что сверхмассивные черные дыры могут играть решающую роль в образовании звезд в галактике, что стало известно только в последние годы. Релятивистские струи, вылетающие из сверхмассивной черной дыры, прокладывают себе путь через галактику, либо рассеивая звездообразующие облака водорода, чтобы они не образовывали звезд, либо сжимая их, чтобы они начинали звездообразование. Это указывает на тесную связь между сверхмассивной черной дырой и эволюцией принимающей ее галактики, но мы только начинаем понимать природу этой связи и ее значение для звездообразования.
Галактики без сверхмассивных черных дыр
А что насчет галактик, в центре которых нет сверхмассивной черной дыры? По сравнению с ними их немного, но мы думаем, что знаем, почему черная дыра отсутствует.
Это связано с наличием двух галактик , которые проходят очень близко друг к другу. Гравитационное взаимодействие между их соответствующими сверхмассивными черными дырами может привести к тому, что одна из черных дыр будет буквально выброшена из принимающей ее галактики! В 2012 году было замечено, что сверхмассивная черная дыра вылетает из галактики-хозяина со скоростью более 3 миллионов миль в час! Более того, его рентгеновское излучение тянулось за ним, как кильватерный след, указывающий назад к центру галактики. Это было первым подтверждением того, почему в некоторых галактиках отсутствуют сверхмассивные черные дыры; с тех пор были обнаружены другие примеры.
Итак, теперь мы можем с некоторой долей уверенности сказать, что все галактики рождаются со сверхмассивными черными дырами, даже если некоторые из них впоследствии могут их потерять. Но это все еще споры о том, что образовалось раньше, галактика или черная дыра.
Сверхмассивные черные дыры — настоящие монстры Вселенной, чье происхождение загадочно, а их отношения с принимающими их галактиками до сих пор плохо изучены.
Однако весьма вероятно, что с целым новым поколением сверхмощных наземных и космических телескопов, которые увидят первый свет в течение следующего десятилетия, мы, возможно, сможем наконец разгадать их тайны.
Первое изображение черной дыры
Кстати, хотя всплески рентгеновского излучения в далеких галактиках являются индикаторами присутствия сверхмассивной черной дыры, в суде это будет рассматриваться как только косвенное доказательство . В конце концов, астрономы никогда не видели черную дыру, хотя они были почти уверены, что черные дыры существуют (поскольку было бы трудно объяснить наблюдения каким-либо другим способом).
Все изменилось в 2019 году, когда Телескоп Горизонта Событий, глобальный массив радиотелескопов, смог, совершив невероятный технологический подвиг, сфотографировать сверхмассивную черную дыру в сердце галактики M87. Представлен миру в марте 2019 г., изображение, которое было на первых страницах новостей по всему миру, было нашим первым реальным взглядом на черную дыру.