Новый анализ черной дыры показывает колеблющуюся тень возле горизонта событий
© NSF
В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope Collaboration предоставила первое изображение черной дыры, на котором была представлена M87 * — сверхмассивный объект в центре галактики M87.
Теперь ученые использовала уроки, извлеченные в прошлом году, для анализа наборов архивных данных за 2009-2013 годы, некоторые из которых ранее не публиковались.
Анализ показывает поведение изображения черной дыры на протяжении нескольких лет, что указывает на постоянство теневой особенности в виде полумесяца, но также и на изменение ее ориентации — полумесяц колеблется. Полные результаты опубликованы в The Astrophysical Journal.
Телескоп Event Horizon — это не единичный телескоп, а глобальное партнерство телескопов, включая Южнополярный телескоп под руководством Калифорнийского университета в Чикаго, который выполняет синхронизированные наблюдения с использованием метода интерферометрии со сверхдлинной базой. Вместе они образуют виртуальный телескоп размером с Землю, обеспечивая исключительно высокое разрешение изображения.
«Благодаря невероятному угловому разрешению телескопа Event Horizon мы могли бы легко наблюдать за игрой в бильярд на Луне!», — сказал Мацек Вильгус, астроном из Центра астрофизики Гарвардского института, научный сотрудник инициативы «Черная дыра» и ведущий автор новой статьи.
«В прошлом году мы видели изображение тени черной дыры, состоящее из яркого полумесяца, образованного горячей плазмой, вращающейся вокруг M87 *, и темной центральной части, где, как мы ожидаем, будет горизонт событий черной дыры», — сказал Вильгус.
«Но эти результаты были основаны только на наблюдениях, проведенных в течение одной недели в апреле 2017 года, что слишком мало, чтобы увидеть много изменений».
Но с 2009 по 2013 год исследователи получали данные о M87 * с первых телескопов до того, как к нему присоединился полный набор телескопов. Они могли коснуться этих данных, чтобы узнать, изменились ли размер и ориентация полумесяца.
Наблюдения 2009-2013 гг. содержат гораздо меньше данных, чем наблюдения 2017 г., что делает невозможным создание изображения. Вместо этого команда EHT использовала статистическое моделирование, чтобы изучить изменения внешнего вида M87 * с течением времени.
Расширяя анализ до наблюдений на 2009-2017 гг., ученые показали, что M87 * соответствует теоретическим ожиданиям. Диаметр тени черной дыры остался в соответствии с предсказанием общей теории относительности Эйнштейна для черной дыры массой 6,5 миллиардов солнечных масс.
Но в то время как диаметр полумесяца оставался неизменным, команда EHT обнаружила, что данные скрывают сюрприз: кольцо качается, а это означает новые возможности для ученых.
Впервые они могут получить представление о динамической структуре аккреционного потока так близко к горизонту событий черной дыры, в условиях экстремальной гравитации. Изучение этой области является ключом к пониманию таких явлений, как возникновение релятивистских струй и позволит ученым сформулировать новые проверки общей теории относительности.
Газ, падающий на черную дыру, нагревается до миллиардов градусов, ионизируется и становится турбулентным в присутствии магнитных полей.
В первой части показано сложное моделирование горячего вещества, вращающегося вокруг черной дыры, с использованием математики общей теории относительности и поведения плазмы.
Через 92 дня модели становятся размытыми, чтобы показать, как это будет выглядеть через телескоп Event Horizon. Появившаяся серая полоса указывает на среднее положение ярких точек в кольце.
Масштабная линейка показывает 40 микросекунд, очень маленький угол на небе; кольцо имеет диаметр около 100 миллиардов километров и находится в 55 миллионах световых лет от Земли. © M. Wielgus and the EHT Collaboration
«Поскольку поток материи является турбулентным, кажется, что серп со временем колеблется», — сказал Вильгус. «На самом деле, мы видим здесь довольно много вариаций, и не все теоретические модели аккреции допускают такое сильное колебание. Это означает, что мы можем начать исключать некоторые из моделей, основанных на наблюдаемой динамике источника».
«Эти эксперименты с ранней EHT предоставляют нам кладезь долгосрочных наблюдений, с которыми современная EHT, даже с ее замечательными возможностями визуализации, не может сравниться», — сказал Шеп Доулман, директор-основатель EHT.
«Когда мы впервые измерили размер M87 в 2009 году, мы не могли предвидеть, что это даст нам первое представление о динамике черной дыры. Если вы хотите увидеть, как черная дыра эволюционирует в течение десятилетия, ничто не заменит наличие десятилетие данных».
Ученые уже работают над анализом данных наблюдений 2018 года, полученных с помощью дополнительного телескопа, расположенного в Гренландии. В 2021 году они планируют наблюдения еще на двух участках, что обеспечит исключительное качество изображений.
Maciek Wielgus et al. Monitoring the Morphology of M87* in 2009–2017 with the Event Horizon Telescope, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/1538-4357/abac0d