Астрономы представили первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Полученное изображение является результатом многолетнего анализа данных, собранных глобальной сетью радиотелескопов под названием Event Horizon Telescope (EHT). В открытии участвуют польские астрономы. Результаты были представлены ESO и EHT.
12 мая 2022 года пресс-конференции прошли одновременно в штаб-квартире Европейской южной обсерватории (ESO) и в нескольких других местах по всему миру. Ученые обнародовали новаторские наблюдения центра Млечного Пути с помощью телескопа горизонта событий ( EHT ). Показано изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей собственной галактики. На нем показана тень черной дыры и яркое кольцо рядом с горизонтом событий черной дыры. Размер тени черной дыры составляет примерно 52 микросекунды дуги по небу. Это примерно размер пончика на поверхности Луны, если смотреть с Земли.
Существование сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути неудивительно. Астрономы давно подозревали, что она существует. На самом деле считается, что в центре большинства галактик есть сверхмассивные черные дыры. Однако самым убедительным свидетельством существования черной дыры на месте радиоисточника Стрелец А* до сих пор являются наблюдения за орбитами звезд в ее окрестностях в течение очень длительного времени (целых 30 лет). Эти движения ясно указывают на то, что в этой точке находится невидимый объект, масса которого в четыре миллиона раз превышает массу Солнца (т. е. это должна быть черная дыра).
Показанные сегодня изображения являются первым прямым визуальным подтверждением существования черной дыры Sgr A*. Ученые говорят, что они ошеломлены тем, насколько хорошо размер кольца соответствует предсказаниям общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Более сложный случай, чем предыдущий
Представленные результаты для черной дыры Стрелец A* — не первое изображение черной дыры, которое у нас есть. В 2019 году были показаны результаты наблюдений Event Horizon Telescope относительно галактики Мессье 87 . Черная дыра M87* намного дальше нашей галактики, так почему же так долго не удавалось получить результаты для Sgr A*?
Оба объекта имеют схожий угловой размер на небе, но M87* представляет гораздо более стабильный «вид», а Sgr A* проявляет гораздо большую изменчивость в своем окружении. В обоих случаях скорости газа, циркулирующего вблизи горизонта событий, одинаковы (близки к скорости света), но для обращения вокруг M87* требуются дни или даже недели (потому что он гораздо больше), а для этого требуется всего несколько минут совершить оборот вокруг Sgr A*. В результате яркость и газовые структуры вокруг черной дыры в нашей галактике меняются гораздо быстрее, и ученым пришлось разрабатывать методы учета этого, чтобы получить изображение.
Основное изображение было создано путем усреднения тысяч изображений, полученных с помощью различных вычислительных методов. Была подготовлена видео-анимация, объясняющая, как реконструировались изображения обеих черных дыр:
Сравнение черных дыр
Черные дыры имеют массы и радиусы, прямо пропорциональные друг другу. Если черная дыра в тысячу раз массивнее другой, она также будет в тысячу раз больше. Но в небе и M87*, и Sgr A* имеют схожие угловые размеры, несмотря на то, что первый примерно в 1600 раз больше второго. Это связано с разницей в расстояниях до этих объектов. У нас есть 27 000 световых лет до черной дыры в Млечном Пути и 55 миллионов световых лет до дыры в галактике Мессье 87 .
Однако, хотя типы двух галактик различны и массы двух черных дыр различаются на порядки, объекты похожи. Они выглядят удивительно похожими вблизи краев черных дыр, и это указывает на то, что общая теория относительности управляет этими объектами вблизи, в то время как любые различия, которые мы видим дальше, должны быть связаны с различиями в материи, окружающей черные дыры.
Теперь у ученых есть изображения двух сверхмассивных черных дыр. Один находится в верхней части диапазона масс и размеров таких объектов (M87*), а другой — в нижней части сверхмассивных черных дыр (Sgr A*). Благодаря этому можно будет изучить различия между ними и лучше протестировать поведение гравитации в таких экстремальных условиях.
На фото ниже вы можете увидеть сравнение первых изображений черных дыр.
Сравнение изображений двух черных дыр. M87* слева и Sgr A* справа. Источник: Сотрудничество EHT.
В свою очередь, на следующем рисунке показаны размеры обоих объектов по отношению к разным масштабам Солнечной системы, таким как орбита Плутона, орбита Меркурия, диаметр Солнца или текущее положение «Вояджера-1» — самого дальнего космический корабль, отправленный с Земли.
Сравнение размеров двух черных дыр: M87* и Sgr A*. Источник: коллаборация EHT (признание: Lia Medeiros, xkcd).
Международная работа
Открытие стало возможным благодаря работе большой международной группы ученых. Свой вклад внесли более 300 ученых из 80 институтов со всего мира. Наблюдения проводились в апреле 2017 года и включали следующие радиотелескопы: Большая миллиметровая/субмиллиметровая антенная решетка Атакамы (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), 30-метровый телескоп IRAM, Телескоп Джеймса Клерка Максвелла (JCMT), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано. (LMT), субмиллиметровая решетка (SMA), субмиллиметровый телескоп UArizona (SMT), телескоп Южного полюса (SPT). Позже к сети EHT были добавлены Гренландский телескоп (GLT), Северная расширенная миллиметровая решетка (NOEMA) и 12-метровый телескоп UArizona на Китт-Пик.
На карте мира показаны радиообсерватории, которые являются частью сети Event Horizon Telescope (EHT), используемой для получения изображений центральной черной дыры Млечного Пути, известной как Стрелец A*. Телескопы, выделенные желтым цветом, были частью сети EHT при наблюдении за источником Стрельца A* в 2017 году. В список входят: Большая миллиметровая / субмиллиметровая решетка Atacama (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), 30-метровый телескоп IRAM, Телескоп Джеймса Кларка Максвелла (JCMT), Большой миллиметровый телескоп (LMT), Субмиллиметровая решетка (SMA), Субмиллиметровый телескоп (SMT). ) и Телескоп Южного полюса (SPT). Три телескопа, отмеченные синим цветом, были добавлены к проекту EHT после 2018 года: Гренландский телескоп, Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) во Франции и 12-метровый телескоп UArizona ARO на Китт-Пик. Источник: ЕСО/М.
Стоит добавить, что существенный вклад в открытие внесла Европа. В исследованиях участвовало много европейских ученых, некоторые из упомянутых выше телескопов — европейские или с европейским участием (даже если они расположены на других континентах). Один из суперкомпьютеров, используемых для объединения данных, собранных EHT, также работает в Европе — он расположен в Институте радиоастрономии им. Макса Планка в Германии. Европа также значительно финансировала исследования за счет грантов Европейского исследовательского совета и Общества Макса Планка в Германии.
Исследование было опубликовано в серии статей, опубликованных в специальном выпуске научного журнала The Astrophysical Journal Letters. Благодаря тому, что теперь в распоряжении ученых есть изображения двух сверхмассивных черных дыр, они могут изучить различия между ними и лучше, чем раньше, протестировать поведение гравитации в экстремальных условиях.
