№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Впервые получено изображение тени черной дыры в центре Млечного Пути

Фото: EHT Collaboration

Это настоящая научная сенсация.

В самом сердце нашей Галактики в 25 800 световых годах от нас находится сверхмассивная черная дыра по имени Стрелец A* (Sgr A*), масса которой примерно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца. Ученые смогли сделать вывод о ее присутствии, основываясь на движении объектов вокруг нее. Однако напрямую черную дыру никогда не наблюдали. До этого момента.

На изображении, которое получили ученые, представлена похожая на размытый оранжевый пончик пыль вокруг Sgr A* и тень самой черной дыры. Человечество впервые получило такую картинку благодаря тяжелой работе коллаборации Event Horizon Telescope (ЕНТ).

ЕНТ или Телескоп горизонта событий представляет собой коллаборацию, состоящую из восьми крупнейших субмиллиметровых антенн, расположенных в разных точках земного шара. Коллаборация включает в себя такие телескопы как ALMA (Atacama Large Millimeter Array) в чилийской пустыне Атакама и Телескоп Джеймса Кларка Максвелла на Гавайях. Вместе они образуют комбинированный массив с угловым разрешением, достаточным для наблюдения за объектами размером с горизонт событий сверхмассивной черной дыры.

«Мы были ошеломлены тем, насколько хорошо размер кольца согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна. Эти беспрецедентные наблюдения значительно улучшили наше понимание того, что происходит в самом центре нашей галактики, и предлагают новое понимание того, как эти гигантские черные дыры взаимодействуют со своим окружением», – Джеффри Бауэр, ученый проекта ЕНТ.

Ученые смогли разглядеть Sgr A* благодаря новым методам обработки получаемых данных. Проект EHT начался в апреле 2017 года. В сфере его интересов была черная дыра в центре галактики Mессье 87, а также черная дыра в центре нашей Галактики. Но если черную дыру М87* удалось обнаружить в 2019 году, то нашу – только сейчас.

Сама по себе фотография черной дыры – это огромное технологическое достижение. Несмотря на свои колоссальные размеры, Sgr A* выглядит в небе крошечной точкой, и чтобы детально рассмотреть черную дыру, требуется невероятная степень разрешения. Благодаря проекту ЕНТ угол наблюдаемого космического пространства был урезан до микроарксекунд – тысячных долей угловой секунды. Такая узкая направленность настолько повышает остроту зрения, что, если бы это был человек, он смог бы рассмотреть теннисный мяч на поверхности Луны.

Попытка изобразить черную дыру – это попытка изобразить невидимое. Черные дыры не испускают излучения, которое мы можем обнаружить. Они настолько плотны, что за определенной точкой, известной как горизонт событий, даже свет, самая быстрая известная вещь во Вселенной, не способен покинуть черную дыру из-за ее невероятного гравитационного притяжения. 

Благодаря данным EHT ученые получили некую цифровую картину интерферационных линий и полос, из которой математическими методами они восстановили нечто похожее на изображение. То есть оценка массы и положения Sgr A* была получена путем вычисления орбит звезд, вращающихся вокруг черной дыры. Поэтому исследователи могли увидеть только тень черной дыры, однако яркость материи, окружающей эту тень и выплескивающейся наружу в кольцо, именуемое аккреционным диском, выдает местоположение этого объекта.

«Газ в окрестности обеих черных дыр – и Sgr A*, и M87* – движется с одинаковой скоростью, почти равной скорости света. Но на то, чтобы совершить один оборот вокруг большей по размеру M87*, у газа уходит от нескольких дней до нескольких недель, а вокруг гораздо меньшей Sgr A* он обращается за несколько минут. Это объясняет, почему яркость и структура газа вокруг Sgr A* во время наблюдений на EHT менялась очень быстро – ситуация немного похожа на попытку получить четкое фото щенка, который носится по комнате, гоняясь за собственным хвостом», – говорится в пресс-релизе ESO.

Во время наблюдательной кампании в 2017 году было сделано большое количество изображений, в результате чего было получено шесть терабайт данных. Эти данные нужно было обрабатывать и анализировать, и этот процесс занял годы. 

Фото: EHT Collaboration
Sgr A*

На изображении выше созданное коллаборацией ЕНТ изображение Sgr A*. Это усредненное изображение тысяч снимков, 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 были сгруппированы в четыре класса на основе схожих признаков, которые вы можно увидеть в нижней части изображения выше. Гистограммы показывают относительное количество изображений, принадлежащих каждому кластеру.

Сверхмассивные черные дыры, которые обычно изучают исследователи, активны, как М87*. Но Sgr A* – относительно спокойная черная дыра, что сделало ее более сложным объектом для изучения. Однако ее окружающую среду удалось разглядеть более четко, что, в свою очередь, может дать нам лучшее представление о физике горизонта событий.

Фото: EHT Collaboration
Сравнение размеров M87* и Sgr A*

Это могло бы помочь нам понять всевозможные загадки черных дыр, например, как работает аккреция, как запускаются джеты, даже то, точно ли общая теория относительности описала экстремальное пространство-время в окрестностях черной дыры.

«У нас есть два совершенно разных типа галактик и две очень разные массы черных дыр, но вблизи границ этих черных дыр они выглядят поразительно похожими. Это говорит нам о том, что общая теория относительности в целом "управляет" этими объектами, и любые различия, которые мы видим дальше, должны быть связаны с различиями в материале, который окружает черные дыры», – говорит Сера Маркофф из Научного совета EHT Амстердамского университета в Нидерландах.

Как объясняют ученые, новое изображение открывает новую дверь для изучения этих экстремальных объектов. Одно изображение черной дыры – уже потрясающее достижение. Но два означает не только то, что первый результат был реальным, но и то, что теперь у нас есть точка сравнения, чтобы понять, как работают эти невероятные, экстремальные объекты.