Телескопы объединились для новых наблюдений за черной дырой М87

В апреле 2019 года ученые опубликовали первое изображение черной дыры в галактике М87 с помощью телескопа Event Horizon Telescope (EHT). Однако это замечательное достижение было только началом научной истории, которую нужно было рассказать.

Данные 19 обсерваторий, опубликованные накануне, обещают дать беспрецедентное понимание этой черной дыры и системы, в которой она находится, а также улучшить тесты Общей теории относительности Эйнштейна.

«Мы знали, что первое прямое изображение черной дыры будет революционным», — говорит Кадзухиро Хада из Национальной астрономической обсерватории Японии, соавтор нового исследования, опубликованного в журнале Astrophysical Journal Letters, в котором описывается большой набор данных.

«Но чтобы получить максимальную отдачу от этого замечательного изображения, нам нужно знать все возможное о поведении черной дыры в то время, наблюдая за всем электромагнитным спектром.»

Огромное гравитационное притяжение сверхмассивной черной дыры может приводить в действие струи частиц (джеты), которые перемещаются почти со скоростью света на огромные расстояния. Струи М87 производят свет, охватывающий весь электромагнитный спектр, от радиоволн до видимого света и гамма-лучей. Эта картина различна для каждой черной дыры. Идентификация этого паттерна дает решающее представление о свойствах черной дыры — например, о ее вращении и выходе энергии, но является сложной задачей, поскольку паттерн меняется со временем.

Ученые компенсировали эту изменчивость, координируя наблюдения со многими из самых мощных телескопов мира на земле и в космосе, собирая свет со всего спектра. Эти наблюдения в 2017 году стали крупнейшей одновременной кампанией наблюдений, когда-либо проводившейся над сверхмассивной черной дырой.

Начиная с ставшего культовым изображения EHT M87, новое видео отправит зрителей в путешествие по данным каждого телескопа. Каждый последовательный кадр показывает данные по множеству факторов, как длин волн света, так и физических размеров.

Последовательность начинается с изображения черной дыры в апреле 2019 года. Затем она перемещается по изображениям с других массивов радиотелескопов со всего земного шара (SMA), перемещаясь наружу в поле зрения во время каждого шага. Затем вид меняется на телескопы, которые обнаруживают видимый свет, ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи (Чандра). Экран разделяется, чтобы показать, как эти изображения, которые одновременно покрывают один и тот же участок неба, сравниваются друг с другом. Последовательность заканчивается показом того, что гамма-телескопы на земле (VERITAS) и Ферми в космосе обнаруживают в этой черной дыре.

Каждый телескоп предоставляет различную информацию о поведении и влиянии черной дыры массой 6,5 миллиарда солнечных масс в центре M87, которая находится примерно в 55 миллионах световых лет от Земли.

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

Первые результаты показывают, что интенсивность света, создаваемого материалом вокруг сверхмассивной черной дыры М87, была самой низкой из когда-либо наблюдавшихся. Это создало идеальные условия для наблюдения «тени» черной дыры, а также позволило изолировать свет из областей, близких к горизонту событий, от тех, которые находятся на расстоянии десятков тысяч световых лет от черной дыры.

Сочетание данных этих телескопов и текущих (и будущих) наблюдений позволит ученым провести важные исследования в некоторых наиболее важных и сложных областях астрофизики. Например, ученые планируют использовать эти данные для улучшения тестов Общей теории относительности Эйнштейна.

В настоящее время неопределенность относительно материала, вращающегося вокруг черной дыры и выбрасываемого струями, в частности свойств, определяющих излучаемый свет, представляет собой серьезное препятствие для этих испытаний общей теории относительности.

Связанный с этим вопрос, который рассматривается в сегодняшнем исследовании, касается происхождения энергетических частиц, называемых «космическими лучами», которые постоянно бомбардируют Землю из космоса. Их энергия может быть в миллион раз выше, чем та, которая может быть получена в самом мощном ускорителе на Земле — Большом адронном коллайдере.

Огромные струи, выпущенные из черных дыр, как и те, что показаны на сегодняшних снимках, считаются наиболее вероятным источником космических лучей с самой высокой энергией, но есть много вопросов о деталях, включая точные места, где частицы ускоряются.

Поскольку космические лучи производят свет через свои столкновения, гамма-лучи с самой высокой энергией могут точно определить это место, и новое исследование показывает, что эти гамма-лучи, скорее всего, не производятся вблизи горизонта событий — по крайней мере, не в 2017 году. Ключом к разрешению этой дискуссии будет сравнение с наблюдениями 2018 года и новыми данными, собранными на этой неделе.

«Понимание ускорения частиц действительно занимает центральное место в нашем понимании как изображения EHT, так и джетов», — говорит соавтор работы Сера Маркофф из Амстердамского университета. — Эти струи умудряются переносить энергию, выделяемую черной дырой, к масштабам, большим, чем галактика-хозяин, подобно огромному шнуру питания. Наши результаты помогут нам рассчитать количество переносимой энергии и влияние струй черной дыры на окружающую среду.»

The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/abef71