Телескоп горизонта событий получил снимок джета черной дыры

Два года назад ученые, работавшие с Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) выпустили первый в истории снимок черной дыры. Изображение подтвердило многие гипотезы относительно этих массивных, компактных объектов, но команда не останавливаться на достигнутом. Последние обнародованные данные сосредоточены на другой цели — активной галактике, известной как Центавр А, и ее джетах. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy. EHT — это не один самостоятельный инструмент. Этот «телескоп» состоит из радиотелескопов, разбросанных по всему миру. Наблюдая один и тот же объект через каждый из них, ученые могут объединить данные при помощи временных отметок на атомных часах и многочисленных циклов на суперкомпьютерах. На сбор изображений EHT уходят месяцы, но и результаты стоят того. Мы бы никогда не смогли рассмотреть черную дыру в M87 через один единственный телескоп, и никогда прежде Центавр А не представал перед нами в таких деталях.

Телескоп горизонта событий получил детальные изображения потоков вещества из центра Центавра А, на которых видно, что у джетов темная середина и яркие края / © M. Janssen, Nature Astronomy (2021) 10.1038

Центавр А интересен из-за своего активного галактического ядра. Черная дыра в ее центре занята поглощением вещества и выбросами релятивистских джетов в глубокий космос. Это делает Центавр А одной из ближайших к нам галактик, достаточно ярких на радиочастотах. Это пятая по яркости галактика в небе, так что к ней часто обращают свои телескопы астрономы-любители. В сети можно найти множество красочных снимков Центавра А.

Снимки EHT, возможно, не настолько визуально захватывающие, но лишь до тех пор, пока не разберешься в том, что на них изображено. Как видно на снимке сверху, EHT удалось детализировать изображение джета плазмы, испущенного галактическим ядром. Несмотря на то, что джет находится в 10 миллионах световых лет от Земли, команда сумела детально изучить его структуру.

Этот снимок джета в 16 раз четче всех предыдущих наблюдений. Судя по данным, светится только край потока, но команда отмечает, что такое впечатление возникает только при сильном приближении. Некоторые из прошлых анализов других джетов черных дыр предполагали наличие этой трубкоподобной структуры, теперь же появилось больше точных данных. Причина такого строения неясна, но ее причиной может быть взаимодействие краев с неподвижными газовыми облаками, из-за чего первые разогреваются и светятся.

Наблюдения вблизи черной дыры показывают, что «трубка» сужается в «конус», но основание все равно остается достаточно широким. Это может означать, что источником джета является аккреционный диск черной дыры, но некоторые ученые считают, что джеты используют энергию вращения черной дыры, чтобы вырываться наружу с такой силой. EHT пока еще не ответил на все вопросы ученых относительно черных дыр, но он вполне может направить их в нужное русло.

Новое изображение сверхмассивной черной дыры демонстрирует спиральные линии таинственных магнитных сил

Астрофизики международного проекта Event Horizon Telescope (EHT) / «Телескоп горизонта событий» впервые получили изображение тени сверхмассивной черной дыры в галактике М87, находящейся примерно в 55 миллионах световых лет от Земли, в поляризованном свете. Статьи с результатами исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters (1, 2), кратко о работе рассказывает пресс-релиз на сайте Европейской южной обсерватории. Новое детализированное изображение одного из самых загадочных (если не вообще — самого загадочного) объектов Вселенной получила та же международная группа астрофизиков, которая подарила нам самое первое изображение черной дыры (если быть точным, ее горизонта событий). По иронии судьбы, черные дыры также являются одними из самих ярких объектов во Вселенной. Это обусловлено процессами, которые происходят за пределами горизонта событий, — сильное гравитационное поле стягивает огромные объемы материи в аккреционный диск. Процессы, происходящие в диске, сопровождаются яркими джетами — излучениями струй частиц перпендикулярно оси черной дыры, от которых исходит еще больше света, чем от диска, поскольку они взаимодействуют с окружающим межзвездным материалом.

Наблюдения проводились еще в апреле 2017 года, но только недавно ученые завершили анализ данных и систематизировали все открытия.

Они обнаружили, что большая часть темно-оранжевого излучения, окружающего «рот» черной дыры, фильтруется через плотную завесу из магнитной энергии, которую можно нанести на карту и измерить с беспрецедентной точностью. Надев пару радиоастрономических эквивалентов поляризованных солнцезащитных очков, астрономы сосредоточили свое внимание на космическом теле с целью выявить четкие линии магнитной энергии, следующие внутрь ЧД. Им удалось измерить напряженность магнитного поля вблизи черной дыры и построить карту силовых линий поля, а также определить параметры плазмы. Для любителей точных цифр: средняя электронная плотность плазмы в излучающей области вблизи черной дыры — 104–7 частиц в кубическом сантиметре, напряженность магнитного поля — 1–30 гауссов, электронная температура плазмы — (1–12)×1010 кельвинов. Также ученым удалось оценить среднюю скорость аккреции вещества на черную дыру — она составила (3–20)×10-4 масс Солнца в год.

Полученные данные описываются магнитогидродинамической моделью сильно намагниченной плазмы, что говорит о важной роли магнитного поля в способности черной дыры поглощать космический материал и выбрасывать его во Вселенную. Астрономы все еще пытаются понять, какие конкретно механизмы управляют всем этим хаосом.

Проект EHT (Event Horizon Telescope) — глобальная интерферометрическая сеть из десяти радио- и миллиметровых обсерваторий, работающих на длине волны 1,3 миллиметра. Благодаря синхронизации работы отдельных телескопов при помощи атомных часов и использовании суперкомпьютеров для обработки данных ученым удалось создать единый телескоп и получить первое изображение горизонта событий сверхмассивной черной дыры в центре активной эллиптической галактики M87.

В будущем ученые продолжат изучать отдельные аспекты устройства и поведения черных дыр с целью их дальнейшего изучения, что, вероятно, и приведет к новым открытиям.

What Are Black Holes?

A black hole is an astronomical object with a gravitational pull so strong that nothing, not even light, can escape it. A black hole's "surface," called its event horizon, defines the boundary where the velocity needed to escape exceeds the speed of light, which is the speed limit of the cosmos. Matter and radiation fall in, but they can't get out. Two main classes of black holes have been extensively observed. Stellar-mass black holes with three to dozens of times the Sun's mass are spread throughout our Milky Way galaxy, while supermassive monsters weighing 100,000 to billions of solar masses are found in the centers of most big galaxies, ours included. Astronomers suspect there's an in-between class called intermediate-mass black holes, weighing 100 to more than 10,000 solar masses, but they have not been conclusively observed to date. A stellar-mass black hole forms when a star with more than 20 solar masses exhausts the nuclear fuel in its core and collapses under its own weight. The collapse triggers a supernova explosion that blows off the star's outer layers. But if the crushed core contains more than about three times the Sun's mass, no known force can stop its collapse to a black hole. The origin of supermassive black holes is poorly understood, but we know they exist from the very earliest days of a galaxy's lifetime. Once born, black holes can grow by accreting matter that falls into them, including gas stripped from neighboring stars and even other black holes.

In 2019, astronomers using the Event Horizon Telescope (EHT) - an international collaboration that networked eight ground-based radio telescopes into a single Earth-size dish - captured an image of a black hole for the first time.

It appears as a dark circle silhouetted by an orbiting disk of hot, glowing matter. The supermassive black hole is located at the heart of a galaxy called M87, located about 55 million light-years away, and weighs more than 6 billion solar masses. Its event horizon extends so far it could encompass much of our solar system out to well beyond the planets.

Another first related to black holes came in 2015 when scientists first detected gravitational waves, ripples in the fabric of space as predicted a century earlier by Albert Einstein's general theory of relativity.

The waves were observed at the National Science Foundation's Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington. Their source was the merger of two orbiting black holes that spiraled into each other 1.3 billion years ago. Since then, LIGO and other facilities have observed numerous black hole mergers via the gravitational waves they produce.

These are exciting new methods, but astronomers have been studying black holes through the various forms of light they emit for decades. Although light can't escape a black hole's event horizon, the enormous tidal forces in its vicinity cause nearby matter to heat up to millions of degrees and emit radio waves and X-rays.

Some of the material orbiting even closer to the event horizon may be hurled out, forming jets of particles moving near the speed of light that emit radio, X-rays and gamma rays. Jets from supermassive black holes can extend hundreds of thousands of light-years into space.

NASA's Hubble, Chandra, Swift, NuSTAR, and NICER space telescopes, as well as other missions, continue to take the measure of black holes and their environments so we can learn more about these enigmatic objects and their role in the evolution of galaxies and the universe at large.

See our Black Hole Gallery for additional images, simulations and visualizations about black holes.