Телескопы объединились для беспрецедентных исследований знаменитой черной дыры

В апреле 2019 года ученые опубликовали первое изображение черной дыры в галактике М87, полученное с помощью телескопа EHT. В статье, опубликованной в апреле этого года в The Astrophysical Journal Letters, обнародованы данные 19 обсерваторий, представляющие наиболее полный одновременный многоволновой спектр этой черной дыры. Они должны дать беспрецедентное понимание процессов, происходящих в центре галактики М87, а также улучшить тесты общей теории относительности Эйнштейна. В работе большого коллектива ученых принимала участие Евгения Кравченко из лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов МФТИ.

Огромная гравитация сверхмассивной черной дыры приводит к выбросу струи плазмы, которая перемещается на огромные расстояния со скоростью, близкой к скорости света. Такие струи плазмы, называемые джетами, излучают энергию во всем электромагнитном спектре, от радиоволн до видимого света и гамма-лучей. Вид этого спектра различен для каждой черной дыры, и выявление его особенностей дает решающее представление о ее свойствах (например, о вращении и выделяемой энергии). Но вид спектра меняется со временем. Для того чтобы это компенсировать, ученые скоординировали наблюдения на самых мощных телескопах мира на земле и в космосе, собирая излучение во всем спектре. Это исследование — самая крупная кампания одновременных наблюдений за сверхмассивной черной дырой, имеющей джеты.

Каждый телескоп предоставил информацию о поведении и влиянии черной дыры с массой 6,5 миллиарда солнечных в центре M87, которая находится примерно в 55 миллионах световых лет от Земли. Данные были собраны командой из 760 ученых и инженеров из почти 200 учреждений из 32 стран или регионов. Наблюдения велись с конца марта до середины апреля 2017 года.

Первые результаты показали, что интенсивность света, излучаемого веществом вокруг сверхмассивной черной дыры M87, на момент наблюдений была самой низкой из когда-либо зафиксированных. Это создало идеальные условия для наблюдения за «тенью» черной дыры, а также позволило изолировать свет от областей, близких к горизонту событий, от тех, что находятся на расстоянии десятков тысяч световых лет от черной дыры. Комбинация данных с телескопов даст возможность ученым провести исследования в некоторых из наиболее важных и сложных областей астрофизики. Например, можно использовать эти данные для улучшения тестов общей теории относительности Эйнштейна. В настоящее время мало что известно о веществе, вращающемся вокруг черной дыры и выбрасываемом джетами, в частности о его свойствах, определяющих излучаемый свет. Это является серьезным препятствием для проведения тестов.

Связанный с этим вопрос, который рассматривается в сегодняшнем исследовании, касается происхождения энергичных частиц, называемых «космическими лучами», которые постоянно бомбардируют Землю из космоса. Их энергия в миллионы раз выше, чем та, которая может быть получена на самом мощном ускорителе на Земле, Большом адронном коллайдере. Считается, что огромные струи, запускаемые из черных дыр,  являются наиболее вероятным источником космических лучей с самой высокой энергией, но есть много вопросов о том, как это происходит. Поскольку космические лучи излучают свет в результате столкновений, гамма-лучи с наивысшей энергией могут точно указать место, где это происходит. Данное исследование показывает, что эти гамма-лучи не образуются вблизи горизонта событий — по крайней мере, так было в момент наблюдений в 2017 году. Ключом к решению этого вопроса будет сравнение с наблюдениями 2018 года и новыми данными, собираемыми в настоящее время.

Евгения Кравченко, одна из участников работы, старший научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов МФТИ, рассказывает: «Мне посчастливилось участвовать в этом глобальном исследовании. Данные наблюдений М87 с помощью интерферометра VLBA на частотах 24 и 43 ГГц, обработанные мной, лучшим образом вписались в собираемый массив информации. Я получила огромное удовольствие и опыт от работы в таком огромном коллективе. Например, был организован так называемый спринт, когда практически непрерывно в течение трех суток проводилось суммирование результатов и в режиме онлайн была написана большая часть статьи».

«Мы знали, что первое прямое изображение черной дыры будет новаторским, — говорит Казухиро Хада из Национальной астрономической обсерватории Японии, соавтор данной работы, — но, чтобы получить максимум от этого замечательного изображения, нам нужно узнать все, что в наших силах, о поведении черной дыры с помощью наблюдений во всем электромагнитном спектре».

«Изучение ускорения частиц действительно является центральным для нашего понимания как изображения EHT, так и струй во всем их разнообразии, — добавляет соавтор Сера Маркофф из Амстердамского университета. — Этим джетам удается транспортировать энергию, выделяемую черной дырой, в масштабах больше, чем родительская галактика, как огромный силовой кабель. Наши результаты помогут рассчитать количество переносимой энергии и влияние, которое джеты черной дыры оказывают на окружающее пространство».

Оригинальная публикация: Event Horizon Telescope Science Multi-Wavelength Science Working Group et al.: Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign, The Astrophysical Journal Letters, 911, L11, April 14, 2021,  doi:10.3847/2041-8213/abef71

Текст основан на пресс-релизе ЕНТ: https://eventhorizontelescope.org/blog/telescopes-unite-unprecedented-observations-famous-black-hole

Рисунок 1. Комбинированное изображение, показывающее, как выглядела радиогалактика M87 во всем электромагнитном спектре во время кампании Телескопа горизонта событий в апреле 2017 года по получению первого изображения черной дыры. Данные во всем спектре были собраны командой из 760 ученых и инженеров из почти 200 учреждений из 32 стран или регионов с использованием 19 обсерваторий на Земле и в космосе для регистрации излучения во всем спектре. Это изображение показывает огромные масштабы, охватываемые черной дырой и ее мощным джетом, направленным на нас. Источник: EHT Multi-Wavelength Science Working Group; the EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); the EVN; the EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); the GMVA; the Hubble Space Telescope, the Neil Gehrels Swift Observatory; the Chandra X-ray Observatory; the Nuclear Spectroscopic Telescope Array; the Fermi-LAT Collaboration; the H.E.S.S. collaboration; the MAGIC collaboration; the VERITAS collaboration; NASA and ESA. Composition by J.C. Algaba.

Видео: Начинаясь с уже ставшего культовым изображения M87, сделанного EHT, видео знакомит зрителей с данными каждого телескопа. В каждом последующем кадре показаны данные в многократном увеличении как длины волны наблюдений, так и физического размера. Последовательность начинается с EHT-изображения черной дыры в M87, представленного в апреле 2019 года (данные были получены в апреле 2017 года), и сменяется изображениями с других радиотелескопов со всего земного шара, перемещаясь наружу в поле зрения на каждом шаге (шкала ширины квадратов дана в световых годах в правом нижнем углу). Затем вид меняется на телескопы, которые регистрируют излучение в оптическом диапазоне (Хаббл и Свифт), ультрафиолетовом свете (Свифт) и рентгеновских лучах (Чандра и NuSTAR). Экран разделяется, чтобы показать, как эти изображения, покрывающие одновременно одинаковую площадь неба, соотносятся друг с другом. Последовательность заканчивается показом того, что гамма-телескопы на Земле и Ферми в космосе регистрируют от этой черной дыры и ее джета.

Информация и фото предоставлены пресс-службой МФТИ