Фотонное кольцо: взгляд на черную дыру поближе

В 2019 году ученые представили первое в истории изображение черной дыры, сделанное человечеством, — на нем темное ядро окружено огненной аурой падающего на него материала. Уже тогда они полагали, что из полученных данных можно извлечь еще более подробные изображения и идеи. По расчетам моделирования за ярким рассеянным оранжевым свечением должно оказаться тонкое яркое кольцо света, созданное фотонами, которые отбрасывает позади себя черная дыра своей сильной гравитацией. Команда исследователей во главе с Эйвери Бродериком использовала сложные алгоритмы визуализации, чтобы буквально «обновить» исходные изображения сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. — Мы выключили прожектор, чтобы увидеть светлячков, — поясняет Бродерик, младший преподаватель Института теоретической физики и Университета Ватерлоо. — Нам удалось совершить нечто выдающееся — определить фундаментальный признак гравитации вокруг черной дыры. По словам соавтора исследования Хунг-Йи Пу, доцента Национального Тайваньского педагогического университета, «отслаивая» элементы изображения, можно четко увидеть окружение черной дыры.

Для достижения этой цели команда использовала новый алгоритм визуализации в рамках аналитической платформы телескопа Event Horizon Telescope (EHT) THEMIS, чтобы выделить и извлечь отчетливый кольцевой объект из первоначальных наблюдений черной дыры M87, а также обнаружить характерный след мощной струи, направленной из черной дыры.

Выводы исследователей подтверждают теоретические прогнозы и предлагают новые способы изучения этих загадочных объектов, которые, как полагают, находятся в сердце большинства галактик.

Черные дыры долгое время считались невидимыми, пока ученые не смогли запечатлеть их с помощью глобальной сети телескопов EHT. В 2017 году, используя восемь обсерваторий на четырех континентах, направленных в одну и ту же точку на небе и связаны друг с другом с помощью наносекундной синхронизации, исследователи EHT наблюдали две черные дыры.

Сотрудничество EHT впервые открыло сверхмассивную черную дыру в M87 в 2019 году, а затем в 2022 году - сравнительно небольшую, но неустойчивую черную дыру в сердце нашей собственной галактики Млечный Путь, названную Стрелец A* (Sgr A*). Сверхмассивные черные дыры занимают центр большинства галактик, аккумулируя невероятное количество массы и энергии в небольшом пространстве. Например, масса черной дыры M87 в два квадриллиона раз (это двойка и 15 нулей) больше Земли.

Изображение M87, представленное учеными в 2019 году, стало знаковым событием, но исследователи понимали, что могут улучшить качество изображения и получить новые сведения, приложив больше смекалки. Они применили новые программные методы для восстановления исходных данных за 2017 год в поисках феноменов, которые, согласно теориям и моделированию, скрываются под поверхностью. На новом полученном изображении видно фотонное кольцо, оно состоит из серии все более четких подколец, которые затем команда наложила друг на друга.

— Наш подход включал использование теоретического понимания того, как выглядят эти черные дыры, для построения индивидуальной модели для данных EHT, — рассказывает Доминик Пеше, член команды из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института. — Данная модель разбивает восстановленное изображение на те части, которые нас больше всего интересуют, благодаря чему мы можем изучать их по отдельности, а не в совокупности.

По словам Бродерика, результат стал возможным, потому что EHT - это «по своей сути вычислительный инструмент».

— Алгоритмы здесь так же важны, как и аппаратура. Передовые алгоритмические разработки позволили нам выделить ключевые элементы, оставшиеся области изображения при этом сохраняя в оригинальном разрешении EHT.

Выводы исследователей были опубликованы в журнале Astrophysical Journal.