После нескольких лет анализа команда телескопа Event Horizon наконец-то раскрыла, как выглядит центральная черная дыра Млечного Пути.
Ключевые выводы
- На протяжении многих поколений многие подозревали, что Млечный Путь, как и все крупные галактики, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру.
- Косвенные свидетельства, в том числе вспышки в рентгеновском излучении, пузыри Ферми и орбитальные свойства звезд вблизи галактического центра, - все это подтверждает его существование, но никогда раньше не было прямых изображений.
- После сбора данных со всего мира в 2017 году команда телескопа Event Horizon наконец-то показала наше первое изображение Стрельца A: нашей сверхмассивной черной дыры. И вау, стоило ли ждать!
Момент наконец настал. Еще в 2015 году была создана коллаборация Event Horizon Telescope с целью использования массива радиотелескопов, расположенных по всему миру, для первого прямого изображения горизонта событий черной дыры. В 2017 году с помощью этого массива телескопов по всему миру одновременно наблюдалась серия объектов, которые впервые собирали данные, необходимые для реконструкции того, как выглядит черная дыра.
И хотя сверхмассивная черная дыра в центре гигантской эллиптической галактики Мессье 87 была выпущена первой (и много лет назад), это не был главный приз, к которому стремилась команда Event Horizon Telescope..
Вместо этого прямо в центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра. Расположенный на расстоянии чуть менее 27 000 световых лет, он известен как Стрелец A, и из косвенных измерений мы уже несколько десятилетий знаем, что он весит около 4 миллионов солнечных масс. При своей массе и расстоянии она должна иметь самый большой горизонт событий среди всех черных дыр, видимых с Земли. После более чем 5 лет ожидания, чтобы убедиться, что они все сделали правильно, команда Event Horizon Telescope наконец опубликовала свои результаты того, как выглядит самая большая черная дыра в нашем собственном космическом заднем дворе. Вот история того, на что мы смотрим, и как это появилось.
Этот 20-летний таймлапс звезд вблизи центра нашей галактики взят из ESO, опубликованного в 2018 году. Обратите внимание, как разрешение и чувствительность деталей становятся более четкими и улучшаются к концу, когда все они находятся на орбите. центральная (невидимая) сверхмассивная черная дыра нашей галактики. Считается, что практически каждая крупная галактика, даже в ранние времена, содержит сверхмассивную черную дыру, но только та, что в центре Млечного Пути, находится достаточно близко, чтобы увидеть движение отдельных звезд вокруг нее и тем самым точно определить черную дыру. масса дыры.
Как вы себе представляете черную дыру?
Черные дыры обладают этим сводящим с ума свойством: они поглощают всю материю и излучение, которые приближаются к ним, и в то же время не излучают никакого собственного света. И тем не менее, их можно отобразить напрямую.
Ключ, который делает это возможным, верьте или нет, это просто гравитация черной дыры.
Мы обычно думаем о гравитации так же, как и Ньютон: как о невидимой силе притяжения между массивными объектами. Однако Эйнштейн научил нас думать немного иначе; Общая теория относительности диктует, что присутствие материи и энергии искривляет ткань пространства - и искривляет ее более сильно вблизи большой массы, чем когда-либо предсказывал Ньютон - и затем это искривленное пространство диктует, как все, включая не только массивные объекты но и безмассовые, движется через него.
Когда материя попадает в окрестности черной дыры, она испытывает не только гравитационную силу притяжения, но и огромные силы приливной гравитации. Другими словами, любая часть падающего объекта, которая находится ближе к центру черной дыры, чем другая часть, будет испытывать другую, более сильную гравитационную силу, чем та часть, которая находится дальше, и эта дифференциальная сила разорвет падающий объект на части. В конце концов, эта материя не просто всасывается в черную дыру, но вытягивается в диск и набор потоков, которые срастаются вокруг центральной черной дыры и вращаются вокруг нее.
Во время аккреции и накопления материи вокруг центральной сверхмассивной черной дыры в галактике она нагревается и излучает свет. Затем этот свет искривляется гравитацией черной дыры, создавая «кольцо» радиоизлучения с любой внешней точки зрения.
Когда материя ускоряется, она создает электрические и магнитные поля. По мере того, как заряженные частицы, из которых состоит материя, испытывают воздействие этих полей, они не только ускоряются, но и испускают излучение. И когда это излучение испытывает сильное гравитационное воздействие соседней черной дыры, оно искривляется из-за искривления пространства. В результате, с нашей точки обзора на огромных космических расстояниях, мы сможем наблюдать кольцо излучения вокруг горизонта событий черной дыры, и из-за искривляющих пространство эффектов общей теории относительности Эйнштейна это кольцо будет иметь темная тень в центре, которая соответствует размеру, большему, чем сам горизонт событий: около 250% диаметра.
Это физика, которая позволяет теоретически изобразить горизонт событий; это реально, это надежно, и это привело к предсказаниям еще в 1970-х годах, которые совпали с тем, что команда Event Horizon Telescope увидела вокруг нашей первой прямой черной дыры: той, что находится в центре галактики Мессье 87.
Но на практике точное определение этого излучения является чрезвычайно сложной задачей, и для этого буквально потребовались технологии телескопов 21-го века, беспрецедентные объемы данных, которые взлетели до петабайт (где каждый петабайт составляет более миллиона гигабайт) и глобальные усилия по сбору и синтезу данных. Есть один метод, который сделал это возможным: интерферометрия со сверхдлинной базой, или сокращенно РСДБ.
Глобальная карта, показывающая радиообсерватории, которые образуют сеть Event Horizon Telescope (EHT), используемую для изображения центральной черной дыры Млечного Пути, Стрельца A. Телескопы, выделенные желтым цветом, были частью сети EHT во время наблюдений за Стрельцом A в 2017 году. К ним относятся Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакамы (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), 30-метровый телескоп IRAM, Джеймс Кларк Телескоп Максвелла (JCMT), Большой миллиметровый телескоп (LMT), субмиллиметровая решетка (SMA), субмиллиметровый телескоп (SMT) и телескоп Южного полюса (SPT).
В идеале мы могли бы построить телескоп такого размера, о котором мы смели мечтать, чтобы получить изображение любого объекта с максимально возможным разрешением. Чтобы решить, что происходит даже с самыми массивными черными дырами, ближайшими к нашей планете -i.то есть те, у которых самый большой горизонт событий, если смотреть с Земли - для этого потребуется телескоп размером примерно с саму планету Земля.
Очевидно, мы не можем этого сделать; нам нужна Земля для других целей, кроме астрономии, и мы не можем посвятить всю планету попыткам наблюдать за небом.
Но мы можем сделать кое-что еще лучше: мы можем установить множество телескопов по всей поверхности Земли, и мы можем наблюдать за нашими целями одновременно из всех этих разных мест. Несмотря на то, что не существует такого понятия, как «абсолютное время», поскольку время относительно и зависит от того, как быстро вы движетесь и где находитесь, важна только одна система отсчета: сколько времени требуется излученному свету, чтобы добраться до него. все сразу из самой черной дыры. Несмотря на то, что в разных точках Земли свет будет поступать в разные моменты времени, если мы сможем синхронизировать эти наблюдения вместе, мы сможем заставить Землю вести себя как один гигантский телескоп.
Телескоп Горизонта Событий, таким образом, ведет себя как серия отдельных телескопов, а также как единая обсерватория. Он действует как отдельные телескопы в смысле способности собирать свет; он может собрать только тот свет, который различные радиотелескопы могут собрать по отдельности, вместе взятые. Но техника РСДБ, если телескопы должным образом синхронизированы друг с другом для объекта (объектов), которые они наблюдают в данный момент, может позволить им иметь разрешающую способность одного телескопа, которая определяется расстоянием между телескопами.
На радиоволнах, к которым чувствительны компоненты массива Телескопа Горизонта Событий, это означает, что он ведет себя как единый телескоп размером с планету Земля и может видеть самые яркие объекты из всех вплоть до разрешение в миллиардные доли градуса или несколько десятков угловых микросекунд. Видны только самые яркие объекты, и самые яркие объекты на таких малых угловых масштабах будут активными черными дырами, которые в настоящее время питаются материей. Это то, что, как мы знаем, делает центральная черная дыра нашей галактики, так как ранее мы наблюдали излучение, которое простирается во всем электромагнитном спектре от нее.
14 сентября 2013 года астрономы зафиксировали крупнейшую из когда-либо зарегистрированных рентгеновских вспышек сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, известной как Стрелец A. В рентгеновских лучах горизонт событий при этих разрешениях не виден; «свет» чисто дискообразный. Однако мы можем быть уверены, что только материя, остающаяся за горизонтом событий, излучает свет; материя, проходящая внутри него, добавляется к массе черной дыры, неизбежно попадая в центральную сингулярность черной дыры.
Почему центральную сверхмассивную черную дыру Млечного Пути так трудно изобразить?
Но визуализация горизонта событий черной дыры в центре Млечного Пути напрямую оказалась бы новой, геркулесовой задачей. Несмотря на то, что черная дыра, которую мы называем Стрельцом А (поскольку она расположена в созвездии Стрельца и является ярким компактным радиоисточником), с нашей точки зрения, имеет самый большой горизонт событий среди всех черных дыр, и черная дыра часто активна с точки зрения излучения, определить форму излучения вокруг черной дыры гораздо сложнее, чем для другой большой черной дыры, которую мы смогли наблюдать: той, что находится в центре Мессье 87.
При различных длинах волн излучение Стрельца A легко увидеть, потому что:
- черная дыра так близко к нам,
- черная дыра находится в плотной среде звезд, газа и пыли,
- черная дыра активно питается той материей, которую она ускоряет,
- и эта ускоренная материя излучает свет от высокоэнергетического гамма-излучения и рентгеновского излучения вплоть до низкоэнергетического радиоизлучения.
Ряд обсерваторий не только уловили эти выбросы, исходящие из галактического центра, но и увидели вспышки в этих выбросах, соответствующие различным событиям «подпитки» черной дыры по мере того, как на нее течет аккрецирующее вещество. Но по сравнению с черной дырой в центре Мессье 87 получить одно изображение гораздо сложнее.
Знаменитое изображение первой из когда-либо наблюдаемых черных дыр, расположенной в центре галактики Мессье 87, меняется со временем. Наблюдения за разные дни имеют разные характеристики, и получение среднего приводит к потере изменяющейся во времени составляющей данных.
Хотя большинство из нас помнит выпуск первой черной дыры Телескопом Горизонта Событий как единое великолепное изображение, на самом деле его лучше представить в виде серии изображений, сделанных в течение нескольких дней. Весом около 6.5 миллиардов солнечных масс, количество времени, которое потребуется свету, чтобы пересечь горизонт событий черной дыры - чтобы пересечь его от одного конца до другого - чуть больше суток. Горизонт событий огромен, а это означает, что по мере того, как материя вращается вокруг него, наблюдаемая нами диаграмма направленности излучения со временем меняется.
Если вы делаете хорошие наблюдения в течение коротких периодов времени, а «короткий» должен быть относительным по сравнению с временными масштабами, в течение которых изменяется диаграмма направленности черной дыры, вы можете создать единое изображение события черной дыры. горизонт. Для центральной черной дыры Мессье 87 вы можете видеть, что два изображения с разницей в один день выглядят меньше друг от друга, чем изображения с разницей почти в неделю.
Но для черной дыры в центре Млечного Пути это совсем другая история. Стрелец A может быть и близким, и большим, но он гораздо менее массивен, чем тот, что находится в центре Мессье 87. Находящийся на расстоянии всего 27 000 световых лет Стрелец A должен быть помещен более чем в 2000 раз дальше. находится на том же расстоянии, что и черная дыра Мессье 87. Но масса Стрельца A составляет всего 4 миллиона солнечных масс по сравнению с 6,5 миллиардами солнечных масс: разница примерно в 1600 раз. Это означает, что диаграмма направленности меняется не в течение нескольких дней, а в течение нескольких минут.
Усредненные по времени данные из нескольких разных моментов времени, которые показывают серию снимков эволюции излучения, исходящего от Стрельца A. «Средняя» структура изображения не соответствует быстрой эволюции излучения вокруг этого объекта во времени.
Поэтому потребовалось пять лет, чтобы получить изображение?
В значительной степени да. Многие из нас, по той причине, что картина излучения вокруг центральной черной дыры Млечного Пути должна меняться так быстро, ожидали, что мы не получим всего лишь одно изображение излучения вокруг Стрельца А, а вместо этого получим длинную серию кадров и, возможно, даже захватывающий фильм из него. Вместо этого есть тысячи и тысячи изображений, все усредненные вместе, чтобы создать серию усредненных по времени изображений центральной черной дыры.
Объем работы, который требуется для правильной синхронизации между различными телескопами в каждый момент времени , включая учет формы Земли, изменяющихся атмосферных помех в каждом отдельном месте и тот факт, что она вращается относительно черной дыры, которую мы наблюдаем , - все это создает серьезные проблемы.
Подавляющее большинство усилий сотен ученых Телескопа Горизонта Событий было направлено не на сбор данных или раскрытие теории, почему и как свет огибает черную дыру, а на анализ, очистка и правильное использование огромных объемов собранных данных. Это один из самых амбициозных проектов, когда-либо предпринятых в астрономии; это стало возможным только благодаря огромным техническим достижениям группы телескопов ALMA (большая миллиметровая / субмиллиметровая решетка Атакамы); и все же, вот мы, в 2022 году, с нашими первыми прямыми изображениями черной дыры в центре Млечного Пути!
Сравнение размеров двух черных дыр, полученных телескопом Event Horizon Telescope (EHT): M87 в центре галактики Мессье 87 и Стрелец A (Sgr A) в центр Млечного Пути. Хотя черную дыру Мессье 87 легче изобразить из-за медленного изменения времени, дыра вокруг центра Млечного Пути является самой большой, если смотреть с Земли.
Итак, прочь; что мы нашли?
Об этом было объявлено одновременно Европейской южной обсерваторией и Национальным научным фондом 12 мая 2022 года, и во многих отношениях это более впечатляюще, чем кто-либо мог ожидать.
Во-первых, было предсказано, насколько большим должно быть кольцо света, основанное на предыдущих измерениях массы черной дыры Стрельца A. Когда данные поступали, их проверяли на соответствие этому предсказанию и предсказаниям общей теории относительности. Несмотря на сложность построения этого изображения, наблюдения совпали с теорией с точностью до 5%: замечательное совпадение.
Во-вторых, во время обработки данных ни на одном из тысяч полученных изображений не наблюдалось крупных вспышек, что дает нам некоторую замечательную информацию о том, как питается эта черная дыра: относительно стабильно в периоды отсутствия вспыхивают, несмотря на изменчивость движения материи вокруг черной дыры.
И, наконец, построение изображения было возможно только путем усреднения по многим составным изображениям. Когда мы делаем отдельные снимки, мы видим, что существует значительная изменчивость от кадра к кадру, но многие особенности повторяются снова и снова, что позволяет нам сделать вывод, что структура аккреционного диска и потоков эволюционирует относительно последовательно во времени.
Здесь так много всего, чем можно удивиться. Впервые мы знаем, как выглядит черная дыра в центре нашей галактики. Он развивается очень быстро во времени, и эти первые результаты дают нам надежду, что с модернизированным телескопом горизонта событий мы сможем снять фильм о том, что происходит во времени. Как описала ученый из Калифорнийского технологического института доктор Кэти Боуман, существует последовательное «бульканье» и «бульканье», что затрудняет создание такого фильма, но его эволюция мягче и медленнее, чем некоторые из нас беспокоились ранее.
В будущем мы можем получить данные о поляризации для Стрельца A, точно так же, как мы ранее получили для черной дыры Мессье 87, показывая структуру, похожую на «крутилку», а не на пончик. Есть и другие цели, которые коллаборация Event Horizon Telescope наблюдала во время сбора данных в 2017 году, и, возможно, в будущем появятся другие изображения других замечательных объектов и особенностей Вселенной.
И хотя команда Телескопа Горизонта Событий создала фильм о черной дыре, они не опубликовали его, так как данных, которые у них были, недостаточно, чтобы надежно заключить, что на самом деле они были наблюдая за сигналом, а не за шумом.
Как бы то ни было, здесь находится первое изображение центральной черной дыры нашей галактики с горячими точками и присущей ей быстрой временной эволюцией. Теперь, когда мы получили первое изображение самой большой черной дыры, видимой с Земли, мы можем смотреть вперед в невероятно светлое будущее для этой новой, растущей области радиоастрономии сверхвысокого разрешения!