На первом изображении черной дыры, опубликованном два года назад, ученым удалось воссоздать направление поляризации света, что дает нам некоторое представление о том, как магнитные поля вокруг края сверхмассивной черной дыры создают огромные потоки вещества, выброшенного в космос на огромные расстояния в виде так называемых джетов.
Ученые, участвующие в проекте Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий), опубликовали первые в своем роде изображения магнитного поля вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87. Эти изображения могут помочь объяснить, как черная дыра поглощает материю и выбрасывает мощные потоки плазмы на тысячи световых лет в космос. Результаты нового исследования опубликованы в двух публикациях в «Astrophysical Journal Letters» (1, 2).
Телескоп горизонта событий
Черные дыры не излучают и не отражают свет. Эти объекты настолько массивны, что при достижении определенной точки (горизонта событий) космическая скорость, то есть скорость, необходимая для выхода из гравитационного поля объекта, превышает скорость света в вакууме, и даже свет не может покинуть эту область. Однако, несмотря на это, ученые из проекта Event Horizon Telescope смогли показать нам, как на самом деле выглядит черная дыра, а точнее ее тень.
Все благодаря телескопу Event Horizon Telescope (EHT). Это сеть радиотелескопов, разбросанных по всему миру, которые работают на миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Вместе они составляют телескоп размером с Землю. Благодаря использованию метода, называемого интерферометрией с большой базой, данные, полученные независимыми радиотелескопами, сохраняются вместе, что облегчает их последующий анализ. В проекте EHT участвуют более 300 ученых со всего мира.
Первое изображение черной дыры
Материя, выстреливаемая при огромных температурах, циркулирует вокруг черной дыры с гигантскими скоростями. Этот пылевой и газовый аккреционный диск вращается очень близко к горизонту событий - в зоне, окружающей черную дыру, которая отделяет наблюдателя от событий, о которых он никогда не будет иметь никакой информации. Это предел, за которым нет возврата.
Объект на снимке, полученном два года назад, представляет собой сверхмассивную черную дыру в центре галактики M87, примерно в 55 миллионах световых лет от нас. Первое изображение черной дыры показало не что иное, как сферическую форму горизонта событий массивного объекта, окруженного ярким кольцом, образованным горячей плазмой, вращающейся вокруг него.
Изображение магнитных полей на краю черной дыры
Продолжая эту работу, команда ученых углубилась в собранные в 2017 году данные о сверхмассивном объекте в центре галактики M87. Ученые обнаружили, что большая часть света вокруг черной дыры поляризована, что также выявило свойства магнитного поля вокруг края черной дыры. Ученые обнаружили, что магнитное поле может быть достаточно сильным, чтобы вытолкнуть материал, который в противном случае был бы безвозвратно выброшен за горизонт событий черной дыры. В результате получается поток материи и энергии, истекающий из черной дыры и окружающей галактики, как прожектор.
Свет становится поляризованным, когда он проходит через специальные фильтры, такие как поляризованные солнцезащитные очки, или когда он излучается в горячих областях космоса, где присутствуют магнитные поля. Точно так же, как поляризованные солнцезащитные очки улучшают наше зрение, уменьшая отражения и блики от ярких поверхностей, астрономы могут повысить резкость изображения области вокруг черной дыры, наблюдая, насколько поляризован ее свет. В частности, поляризация позволяет астрономам наносить на карту силовые линии магнитного поля, присутствующие на внутреннем крае черной дыры.
Это еще одно ключевое свидетельство, позволяющее понять, как магнитные поля ведут себя вокруг черных дыр и как активность в этой очень плотной области космоса может приводить в движение мощные струи, простирающиеся далеко за пределы галактики.
"Эта работа - знаковая. Поляризация света несет информацию, которая позволяет нам лучше понять физику изображения черной дыры, которое мы увидели в апреле 2019 года, что было невозможно раньше. Получение нового изображения в поляризованном свете потребовало многих лет работы из-за сложных методов сбора и анализа данных", - объясняет Иван Марти-Видаль из Университета Валенсии, второй координатор Рабочей группы по поляриметрии EHT.
Джеты
Как только критический порог близости превышен, ничто не может избежать объятий черной дыры. Но не вся материя аккреционного диска, вращающаяся вокруг массивного объекта, неизбежно оказывается за горизонтом событий. Небольшая его часть каким-то образом перемещается из внутренней области аккреционного диска к полюсам, где выбрасывается в космос в виде струй ионизированной плазмы со скоростью, составляющей значительный процент от скорости света.
Астрофизики давно подозревали, что магнитные поля играют роль как в стимулировании роста черной дыры, так и в выбросе вещества и энергии в мощных струях. До сих пор ученым удавалось измерять магнитные поля в струях, но новое исследование дает им возможность смотреть прямо на магнитное поле, которое создают струи (джеты).
Яркие струи энергии и вещества с огромной скоростью излучаются из ядра M87 и простираются на расстояние не менее 5000 световых лет от центра галактики. Это одна из самых загадочных и энергичных особенностей M87. Большая часть вещества, вращающегося вблизи края черной дыры, падает внутрь. Однако часть его способна вырваться из ловушки черной дыры и выбрасывается в космос в виде струй.
Ученые полагались на модели поведения вещества около черной дыры, чтобы лучше понять этот процесс. Пока еще неизвестно, как именно из ее ядра выбрасываются струи таких колоссальных размеров. На самом деле также неизвестно, как именно вещество поглощается черной дырой. Благодаря новому изображению черной дыры и ее тени в поляризованном свете, ученые впервые смогли заглянуть в область рядом с черной дырой, где существует взаимозависимость между входящей и исходящей материей. Эти наблюдения предоставляют новую информацию о структуре магнитных полей на краю черной дыры. Команда обнаружила, что только теоретические модели, указывающие на газ, на который сильно влияют магнитные поля, могут объяснить это.
Наблюдения показывают, что магнитные поля на краю черной дыры достаточно сильны, чтобы отталкивать горячий газ и помогать ему сопротивляться притяжению силы тяжести. «Только газ, который скользит через поле, может по спирали попасть в горизонт событий», - объясняет Джейсон Декстер из Университета Колорадо в Боулдере, координатор теоретической рабочей группы EHT.
Источник: ESO