Коллаборация «Телескоп горизонта событий» Европейскою южной обсерватории в Чили впервые в истории сфотографировала чёрную дыру и опубликовала новое изображение этого сверхмассивного объекта в центре галактики Messier 87 (M87) в поляризованных лучах.
Впервые астрономам удалось измерить поляризацию – свидетельство существования магнитных полей – на столь близком расстоянии от края черной дыры. Эти наблюдения являются ключевыми для объяснения механизма образования высокоэнергетических джетов – струйных выбросов из ядра галактики M87, расположенной на расстоянии в 55 миллионов световых лет от Земли.
«Теперь в наших руках очередной наблюдательный факт критической важности, который позволяет понять, как ведут себя магнитные поля вокруг чёрных дыр и как активные процессы в этих сверхкомпактных областях пространства могут порождать мощные джеты, простирающиеся далеко за пределы галактики», — говорит Моника Мочибродска, координатор рабочей группы коллаборации по поляриметрии и профессор Радбаудского университета в Нидерландах.
10 апреля 2019 года учёные опубликовали первое в истории изображение чёрной дыры – яркую кольцеобразную структуру с темной центральной областью, тенью чёрной дыры. С тех пор участники коллаборации продолжали углубленный анализ полученных в 2017 г. данных наблюдений сверхмассивного объекта в сердце галактики M87. Они обнаружили, что значительная часть излучения из окрестности чёрной дыры в ядре M87 поляризована.
«Эта работа открывает новый этап исследований: поляризация излучения несёт информацию, которая позволяет нам лучше понять физические параметры объекта, сфотографированного в апреле 2019 года, и которая прежде была недоступна», — объясняет Иван Марти-Видаль, еще один координатор рабочей группы по поляриметрии, заслуженный исследователь программы GenT из университета Валенсии в Испании. Он добавляет, что «из-за сложности получения и анализа наблюдательных данных публикация этого нового изображения в поляризованных лучах потребовала нескольких лет напряженной работы».
Свет поляризуется, когда проходит сквозь определенные фильтры, например, через стекла поляризационных солнцезащитных очков, или когда излучается разогретыми до высоких температур областями космического пространства, в которых присутствуют магнитные поля. И точно так же, как поляризационные очки помогают нам видеть лучше, понижая отражение и подавляя блики, возникающие на ярких поверхностях, наблюдения с помощью поляризационных приёмников позволяют астрономам получать более четкие изображения областей в окрестностях черной дыры, анализировать механизмы поляризации в этих областях. В частности, наблюдая поляризацию, астрономы могут составлять карты распределения силовых линий магнитного поля на внутреннем крае черной дыры.
«Публикуемые сейчас новые изображения в поляризованном излучении дают ключ к пониманию того, как магнитное поле позволяет черной дыре поглощать вещество и испускать мощные джеты», — говорит член коллаборации Эндрю Шэль, стипендиат программы NASA Hubble из Принстонского центра теоретической науки и Принстонской инициативной группы по гравитации, США.
Яркие джеты – струи энергии и вещества, истекающие из ядра галактики M87 и простирающиеся как минимум на 5000 световых лет от центра галактики – одна из наиболее загадочных и в то же время поразительных по масштабам энерговыделения особенностей этой галактики. Большая часть вещества, которое находится вблизи границы черной дыры, попадает внутрь неё. Однако, некоторые частицы всё же избегают поглощения чёрной дырой и выбрасываются далеко в пространство в форме джетов.
Для описания поведения вещества в окрестности черной дыры астрономы построили множество различных моделей. Однако они так и не могут до конца понять, каким образом из расположенной в центре галактики области, сравнимой по размерам с Солнечной системой, могут истекать джеты, размеры которых превосходят размеры всей галактики. Непонятно до сих пор и то, как именно происходит падение вещества в чёрную дыру.
Полученное коллаборацией новое изображение чёрной дыры и её тени в поляризованном излучении впервые позволяет астрономам заглянуть в область, непосредственно примыкающую к чёрной дыре, где и происходят сложные взаимодействия между веществом, втекающим в дыру и выбрасываемым наружу.
Наблюдения дают новую информацию о структуре магнитных полей в непосредственной окрестности черной дыры. Исследователи убедились в том, что только теоретические модели, в которых предполагается присутствие сильно намагниченного газа, могут объяснить картину, наблюдаемую ими вблизи горизонта событий.
«Наблюдения свидетельствуют о том, что магнитные поля на краю чёрной дыры достаточно сильны, чтобы отталкивать горячий газ и помогать ему сопротивляться мощному гравитационному притяжению. Та часть газа, которой удаётся проскользнуть через «магнитное заграждение» образует спиральный поток, устремляющийся к горизонту событий», — объясняет Джейсон Декстер, доцент университета в Боулдере, штат Колорадо, США, координатор рабочей группы теоретиков коллаборации.
Для наблюдений галактики M87 коллаборация объединила в одно целое восемь телескопов, расположенных по всему миру — включая находящуюся в Чили Атакамскую Большую миллиметровую / субмиллиметровую антенную решетку ALMA и телескоп APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), которые Европейская южная обсерватория (ESO) эксплуатирует на партнёрских началах, чтобы создать телескоп горизонта событий – виртуальный телескоп размером с Землю. Фантастически высокое разрешение, достигнутое с телескопом горизонта событий, эквивалентно разрешению, при котором с Земли можно измерить стороны кредитной карточки, лежащей на поверхности Луны.
«Использование телескопов ALMA и APEX, которые, благодаря их размещению в южном полушарии, позволили резко улучшить качество изображения, увеличив географические размеры сети телескопа горизонта событий, сделало роль европейских учёных в этом исследовательском проекте ключевой», — говорит Франциска Кемпер, научный руководитель программы ALMA от Европы в Европейской южной обсерватории. «Решетка ALMA со своими 66 антеннами внесла основной вклад в общий сигнал, собранный всеми инструментами телескопа горизонта событий в поляризованном свете, а телескоп APEX сыграл основную роль в калибровке изображения».
«Данные, собранные ALMA, оказались также критически важными для калибровки, визуализации и интерпретации наблюдений EHT, накладывая жесткие ограничения на теоретические модели, которые объясняют поведение вещества вблизи горизонта событий черной дыры», —добавляет Чириако Годди, научный сотрудник Радбаудского университета и Лейденской обсерватории в Нидерландах, руководитель сопутствующего исследования, основанного только на наблюдениях с ALMA.
В рамках проекта телескопа горизонта событий оказалось возможным прямо наблюдать тень черной дыры и световое кольцо вокруг неё, причём новое изображение в поляризованном свете ясно показало присутствие в этом кольце магнитного поля. Результаты нового исследования сегодня публикуются коллаборацией в двух отдельных статьях в The Astrophysical Journal Letters. В исследовании участвовало более 300 специалистов из различных организаций и университетов по всему миру.
«Проект «Телескоп горизонта событий» быстро развивается: в сети телескопов происходят технические усовершенствования, к ней добавляются новые обсерватории. Мы ожидаем, что будущие наблюдения на телескопе горизонта событий позволят точнее установить структуру магнитного поля вокруг черной дыры и больше расскажут нам о физических процессах в горячем газе, находящемся в этой области», — заключает член коллаборации Чжун-Хо Пак, стипендиат Ассоциации основных обсерваторий Восточной Азии, сотрудник Института астрономии и астрофизики Академии наук Тайваня в Тайбее.