Массивный объект в центре Млечного Пути на самом деле невидим, но сделанное в этом году изображение плазмы, вращающейся вокруг него, поможет нам узнать больше об истории и эволюции самой галактики.
У черных дыр есть свои секреты. Они прячут все, что в них попадает. Даже свет не может избежать их притяжения. Так что, казалось бы, черная дыра должна быть просто невидимой, и сфотографировать ее невозможно. Большие эмоции сопровождали обнародование в 2019 году первой такой «фотографии» черной дыры. В свою очередь, совсем недавно, весной 2022 года, астрономы опубликовали еще одно изображение черной дыры — на этот раз той, что находится в центре нашего Млечного Пути.
На нем изображена оранжевая капля в форме пончика, на первый взгляд очень похожая на более раннее «фото» черной дыры, лежащей в центре галактики Мессье 87 . Однако черная дыра в Млечном Пути, в районе компактного радиоисточника Стрелец А*, на самом деле намного меньше первого, и его было намного труднее увидеть, потому что его нужно было рассматривать через диск нашей Галактики. И хотя наблюдения родной черной дыры галактики велись одновременно с наблюдениями черной дыры в М87, ученым потребовалось еще три года, чтобы создать окончательное изображение. Реализация этой задачи потребовала международного сотрудничества сотен астрономов, инженеров и компьютерных ученых, а также разработки сложных компьютерных алгоритмов, позволяющих собрать воедино окончательную картину из необработанных, фрагментарных данных.
Полученные «фотографии», конечно, не показывают непосредственно черную дыру, определяемую как область пространства-времени внутри границы, обозначающей «точку невозврата», называемую горизонтом событий. Фактически, они фиксируют фрагменты лепешки горячей плазмы, вращающейся вокруг черной дыры с большой скоростью в так называемом аккреционном диске. Они состоят из высокоэнергетических, электрически заряженных частиц. По мере вращения вокруг черной дыры эти сильно ускоренные частицы излучают (из-за изменения движения — ускорения) радиоволны. Таким образом, слабое оранжевое кольцо, видимое на изображениях в непосредственной близости от черных, представляет собой сложную реконструкцию этих радиоволн, захваченных в общей сложности восемью телескопами, разбросанными по Земле и известными под общим названием « Телескоп Горизонта Событий » ( EHT).
Последнее изображение показывает замечательное путешествие радиоволн от центра Млечного Пути к телескопам EHT. Эффект беспрецедентной детализации Стрельца А* . Это изображение также является одним из наиболее важных визуальных доказательств общей теории относительности. Это еще не все — изучение сверхмассивных черных дыр, подобных этой, поможет ученым узнать больше о том, как галактики эволюционируют и образуют огромные скопления во Вселенной.
Черная дыра в радиоисточнике Стрелец A* в 1600 раз меньше, чем черная дыра в галактике Мессье 87, полученная в 2019 году, и примерно в 2100 раз ближе к Земле. Из этого следует, что эти две черные дыры в небе представляются нам объектами примерно одинакового размера. Джеффри Бауэр, сотрудник проекта EHT в Институте астрономии и астрофизики Academia Sinica на Тайване, утверждает, что разрешение, необходимое для наблюдения Стрельца A* с Земли, такое же, как для фотографирования апельсина на поверхности Луны!
Центр нашей галактики находится на расстоянии 26 000 световых лет от Земли, поэтому радиоволны, тщательно собранные для создания изображения центральной черной дыры, излучались примерно во времена первых известных постоянных человеческих поселений. Путешествие этих радиоволн началось, когда заряженные, ускоренные частицы, циркулирующие в аккреционном диске черной дыры, направили их к нам. На длине волны около 1 мм это электромагнитное излучение двигалось к Земле практически свободно, слегка рассеиваясь галактическим газом и пылью. Если бы длина волны была намного короче, как в случае видимого света, эти волны сильнее рассеивались бы пылью. Если бы он был намного больше, волны еще больше изгибались бы заряженными плазменными облаками на своем пути, что искажало бы изображение.
Наконец, после 26 000-летнего путешествия радиоволны были получены и зарегистрированы в радиообсерваториях, расположенных вокруг нашей планеты. Большое расстояние между этими обсерваториями имело решающее значение, поскольку оно позволяло ученым обнаруживать тонкие различия в параметрах радиоволн, собранных в каждом отдельном месте наблюдения, благодаря явлению интерферометрии.. Эти небольшие различия на практике используются для расшифровки наименьших различий в расстоянии, которое каждая радиоволна проходит от своего источника до места назначения на Земле. Используя компьютерные алгоритмы, исследователи смогли воспроизвести эти различия в длинах волн, чтобы в конечном итоге восстановить форму объекта, излучающего их. Затем они объединили эти данные в изображение в искусственных цветах, где оранжевый цвет представляет радиоволны высокой интенсивности, а черный — радиоволны низкой интенсивности.
«Каждый телескоп улавливает лишь небольшую часть радиосигнала», — добавляет Фульвио Мелиа, астрофизик из Аризонского университета. «Поскольку мы пропускаем большую часть сигнала, вместо того, чтобы видеть кристально чистое изображение, мы видим что-то немного туманное, нечеткое.
В любом случае, изображение раскрывает детали горизонта событий черной дыры., что является окончательным пределом, до которого что-либо может попасть туда, не будучи затянутым (после пересечения горизонта событий даже свет больше не может убежать). Благодаря этим деталям ученые смогли более точно оценить размер горизонта событий и сделать вывод, что аккреционный диск черной дыры наклонен более чем на 40 градусов по отношению к диску Млечного Пути, так что мы видим круглый плоский диск аккреционный диск, а не его тонкий участок. Однако, даже если бы этот аккреционный диск располагался краем к земле, мощная гравитация черной дыры искажает пространство вокруг нее настолько, что свет, испускаемый с дальней стороны черной дыры, преломлялся бы и также достигал бы нас, создавая кольцо- подобное изображение вне зависимости от пространственной ориентации диска. Так как же ученые узнают его пространственную ориентацию? Из-за того, что наблюдаемое кольцо света имеет приблизительно круглую форму. Если бы мы смотрели на аккреционный диск с ребра, он выглядел бы гораздо более плоским и вытянутым.
Радиоизображение черной дыры в Млечном Пути — это дополнительная возможность заглянуть в сердце нашей Галактики, что поможет заполнить пробелы в нашем понимании эволюции галактик и всей крупномасштабной структуры Вселенной. Плотный, массивный объект, такой как Стрелец А*, влияет на движение звезд и пыли в его окрестностях, что, в свою очередь, влияет на то, как со временем меняется вся галактика. Свойства черной дыры, такие как направление ее вращения, зависят от ее прошлой истории столкновений, возможно, со звездами или другими черными дырами. Следовательно, черные дыры, даже сверхмассивные, не статичны. Как и другие объекты Вселенной, они составляют часть всей экосистемы явлений, которые все еще развиваются.
Новое изображение черной дыры Стрельца A* подтверждает и уточняет предыдущие предсказания о ее размере и ориентации. Масса черной дыры определяет ее размер — или то, что ученые называют ее гравитационным диаметром. Предел, за которым свет больше не может выйти из черной дыры, называемый горизонтом событий, определяется этой массой и вращением (угловым моментом, параметром, связанным с вращением вокруг оси) черной дыры. Горячая плазма ускоряется вокруг массивного объекта в аккреционном диске, излучая при этом радиоволны. Эти волны изгибаются и деформируются под действием силы тяжести, в результате чего появляются внешние оранжевые круги. Тень черной дыры и эмиссионное кольцо, видимые на изображении, представляют собой гравитационно-линзированные проекции дальней стороны горизонта событий и аккреционного диска черной дыры соответственно. Источник: публикация команды.
Последнее изображение черной дыры было создано с помощью метода, называемого радиоинтерферометрией, который сравнивает радиоволны, излучаемые черной дырой, и собираемые восемью различными телескопами по всему миру. Если бы два телескопа собирали волны, которые были «в фазе», то есть их вершины (максимумы) были выровнены, две волны складывались бы друг с другом, создавая яркое пятно на изображении. Если, с другой стороны, волны были не в фазе, что означает, что максимум одной волны совпадал с минимумом другой, волны компенсировали друг друга, создавая темное пятно на изображении. Телескопы, работающие вместе, могут собирать гораздо более подробные данные, чем каждый из них по отдельности. Источник: публикация команды.