Объединение телескопов в беспрецедентных наблюдениях за известной черной дырой

В апреле 2019 года ученые опубликовали первое изображение черной дыры в галактике M87 с помощью Телескопа горизонта событий (EHT). Однако это замечательное достижение было лишь началом научной истории, которую следует рассказать.

Данные из 19 обсерваторий, обнародованные сейчас, обещают дать непревзойденное представление об этой черной дыре и системе, которую она приводит в действие, а также усовершенствовать тестирование общей теории относительности Эйнштейна, говорится в пресс-релизе Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра.

"Мы знали, что первое прямое изображение черной дыры будет новаторским", - говорит Казухиро Хада из Национальной астрономической обсерватории Японии, соавтор нового исследования, опубликованного в журнале "The Astrophysical Journal Letters", где описывается большой набор данных. "Но чтобы получить максимум от этого замечательного изображения, нам нужно знать все, что можно о поведении черной дыры в то время, наблюдая за всем электромагнитным спектром".

Огромное гравитационное притяжение сверхмассивной черной дыры может приводить в действие струи (джеты) частиц, которые движутся почти со скоростью света на большие расстояния. Струи M87 производят свет, охватывающий весь электромагнитный спектр, от радиоволн, видимого света до гамма-лучей. Этот паттерн разный для каждой черной дыры. Определение этой закономерности придает решающее понимание свойств черной дыры — например, ее вращения и выход энергии — но это является проблемой, поскольку паттерн меняется со временем.

Ученые компенсировали эту изменчивость, координируя наблюдения с помощью многих крупнейших в мире телескопов на земле и в космосе, собирая свет по всему спектру. Эти наблюдения 2017 были самой большой кампанией одновременных наблюдений, когда-либо проведенной на сверхмассивной черной дыре со струями.

В этой выдающейся компании участвовали три обсерватории, управляемые Гарвард-Смитсоновским астрофизическим центром: Субмиллиметровый массив (SMM) в городе Хило, Гавайи; космическая рентгеновская обсерватория Чандра; и Система из массива телескопов визуализации очень энергичных излучений (VERITAS) на юге Аризоны.

Начиная со знакового изображения M87, сделанного EHT, новое видео переносит зрителей в путешествие по данным, полученных с каждого телескопа. В каждом последовательном кадре в масштабе показаны данные по многим из десяти факторов, такими как длины волны света, так и физический размер.

Последовательность начинается с изображения черной дыры апреля 2019 года. Затем она перемещается через изображение с других массивов радиотелескопов по всему земному шару (SMA), двигаясь наружу в поле зрения во время каждого шага. Далее вид меняется на полученный от телескопов, которые определяют видимый свет, ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи (Чандра). Экран разделяется, чтобы показать, как эти изображения, одновременно покрывающие один и тот же объем неба, сравниваются друг с другом. Последовательность заканчивается показом того, что телескопы гамма-излучения на земле (VERITAS), и Ферми в космосе, выявляют в этой черной дыре и ее струе.

Каждый телескоп предоставляет различную информацию о поведении и влиянии черной дыры с 6,5-миллиардной солнечной массой в центре галактики M87, которая находится примерно в 55 миллионах световых лет от Земли.

"Существует немало групп, которые стремятся увидеть, соответствуют ли их модели этим богатым наблюдением, и мы рады видеть, как все сообщество использует этот общедоступный набор данных, чтобы помочь нам лучше понять глубокие связи между черными дырами и их струями", - говорит соавтор Дарил Хаггард из университета Макгилла в Монреале, Канада.

Данные были собраны группой из 760 ученых и инженеров из почти 200 учреждений, охватывающих 32 страны или региона, и с помощью обсерваторий, финансируемых агентствами и учреждениями по всему миру. Наблюдения были сосредоточены в период с конца марта до середины апреля 2017 года.

"Этот невероятный набор наблюдений включает много лучших телескопов в мире", - говорит соавтор Хуан Карлос Альгаба из Университета Малайи в Куала-Лумпуре, Малайзия. "Это прекрасный пример того, как астрономы всего мира работают вместе в поисках науки".

Первые результаты показывают, что интенсивность света, производимого материалом вокруг сверхмассивной черной дыры M87, была самой низкой из всех, когда-либо наблюдавшихся. Это создало идеальные условия для просмотра "тени" черной дыры, а также позволило изолировать свет от регионов, близких к горизонту событий, от тех десятков тысяч световых лет, что находятся далеко от черной дыры.

Сочетание данных от этих телескопов и текущих (и будущих) наблюдений EHT позволит ученым провести исследования в важных направлениях некоторых наиболее значимых и сложных областей астрофизики. Например, ученые планируют использовать эти данные для совершенствования тестирования теории всеобщей относительности Эйнштейна. В настоящее время основным препятствием для этих тестов общей теории относительности является неопределенность относительно материала, который вращается вокруг черной дыры и выбрасывается струями, в частности свойства, определяющие излучаемый свет.

Связанный с этим вопрос, адресованный текущему исследованию, касается происхождения энергетических частиц, называемых «космическими лучами», которые постоянно бомбардируют Землю из космоса. Их энергии могут быть в миллион раз больше за энергию, которую может производить самый мощный ускоритель на Земле — Большой адронный коллайдер. Огромные струи, выпущенные из черных дыр, как те, что показаны на текущих снимках, считаются наиболее вероятным источником космических лучей с высокой энергией, но есть много вопросов относительно деталей, в том числе точные места, где частицы ускоряются. Поскольку космические лучи производят свет во время столкновений, гамма-лучи с высокой энергией могут определить это местоположение, и новое исследование указывает на то, что эти гамма-лучи, скорее всего, не производятся вблизи горизонта событий — по крайней мере, не в 2017 году. Ключом к решению этой дискуссии будет сравнение с наблюдениями 2018 и новыми данными, собранными на этой неделе.

«Понимание ускорения частиц имеет действительно центральное значение для нашего понимания как EHT-изображения, так и струй во всех их "цветах"», - говорит соавтор Сэра Маркофф из Амстердамского университета. "Этим струям удается транспортировать энергию, которая высвобождается черной дырой, в масштабах, превышающих галактику-хозяина, как огромный (электрический) шнур питания. Наши результаты помогут нам рассчитать количество переносимой энергии и влияние струй черной дыры на окружающую среду."

Выпуск этой новой сокровищницы данных совпадает с проведением наблюдений EHT в 2021 году, использующий всемирный массив радио-тарелок, впервые с 2018 года. Прошлогодняя кампания была отменена из-за пандемии COVID-19, а в предыдущий год была приостановлена из-за непредвиденных технических проблем. На этой же неделе в течение шести ночей астрономы EHT нацеливаются на несколько сверхмассивных черных дыр: опять ту, что находится в M87, ту, что в нашей галактике, которая называется Стрелец A*, и еще несколько удаленных черных дыр. По сравнению с 2017 годом массив был улучшен за счет добавления еще трех радиотелескопов: Гренландского телескопа, 12-метрового телескопа Кит Пик в Аризоне и Расширенного миллиметрового массива NOrthern (NOEMA) во Франции.

"С обнародованием этих данных, в сочетании с восстановлением наблюдений и совершенствованием EHT, мы знаем, что на горизонте есть много новых интересных результатов", - говорит соавтор Мислав Балокович из Йельского университета.

"Я очень рад видеть, как выходят эти результаты, вместе с моими коллегами, работающими над SMA, некоторые из которых принимали непосредственное участие в сборе некоторых данных для этого впечатляющего вида на M87", - говорит соавтор Гаррет Китинг, ученый проекта Субмиллиметровый массив. "А с результатами Стрельца A* - массивной черной дыры в центре Млечного Пути, - которые скоро появятся, и с восстановлением наблюдений этого года, мы с нетерпением ждем еще более удивительных результатов с EHT на долгие годы."

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.