На первом в истории изображении черной дыры, опубликованном два года назад, ученым удалось воспроизвести направление поляризации света, что дает нам некоторое представление о том, как магнитные поля по краям сверхмассивной черной дыры создают мощные потоки материи, которые выбрасываются в пространство на огромные расстояния в виде так называемых джетов.
Ученые, участвующие в проекте телескопа Event Horizon Telescope, опубликовали первые в своем роде изображения магнитного поля вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики Messier 87 (M87). Эти изображения могут помочь объяснить, как черная дыра поглощает материю и выбрасывает в космос мощные потоки плазмы длиной в тысячи световых лет. Результаты нового исследования появились в двух публикациях в Astrophysical Journal Letters (1, 2).
Телескоп «Горизонт событий
Черные дыры не излучают и не отражают свет. Эти объекты настолько массивны, что, когда они достигают определенной точки (горизонта событий), скорость убегания — скорость, необходимая для выхода из гравитационного поля объекта — превышает скорость света в вакууме, и даже свет не может покинуть эту область. Однако, несмотря на это, ученые из проекта Event Horizon Telescope смогли дать нам представление о том, как на самом деле выглядит черная дыра, вернее, ее тень.
Все благодаря телескопу Event Horizon Telescope (EHT). Это сеть разбросанных по всему миру радиотелескопов, работающих на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн. Вместе они образуют телескоп размером с Землю. С помощью техники, называемой интерферометрией по большой базовой линии, данные, полученные независимыми радиотелескопами, записываются вместе, что облегчает последующий анализ.
В проекте EHT участвуют более 300 ученых со всего мира, в том числе из Польши. Профессор Моника Мосцибродзка из Университета Радбоуда в Нидерландах является координатором рабочей группы EHT по поляриметрии. В свою очередь, доктор Мачек Вельгус из Инициативы по черным дырам в Гарвардском университете в США занимается проверкой данных и изучает временную изменчивость наблюдаемых источников.
Первое изображение черной дыры
Вокруг черной дыры на гигантских скоростях вращается материя, которая воспламенилась до огромных температур. Этот аккреционный диск из пыли и газа вращается очень близко к горизонту событий — зоне вокруг черной дыры, которая отделяет наблюдателя от событий, о которых он никогда не будет иметь никакой информации. Это граница, за которой нет возврата.
Объект, изображение которого было получено два года назад, представляет собой сверхмассивную черную дыру, расположенную в центре галактики M87, на расстоянии около 55 миллионов световых лет от нас. Первое изображение черной дыры представляло собой не что иное, как сферическую форму горизонта событий массивного объекта, окруженного ярким кольцом, образованным вспыхнувшей плазмой, циркулирующей вокруг него.
Изображение магнитных полей на краю черной дыры
В продолжение этой работы команда ученых изучила данные о сверхмассивном объекте в центре галактики M87, собранные в 2017 году. Ученые обнаружили, что большая часть света вокруг черной дыры поляризована, что также позволило понять свойства магнитного поля вокруг края черной дыры. Ученые обнаружили, что магнитное поле может быть достаточно сильным, чтобы вытолкнуть материю, которая в противном случае безвозвратно упала бы за горизонт событий черной дыры. В результате из черной дыры и окружающей галактики вылетает струя материи и энергии, подобно прожектору.
Свет становится поляризованным, когда он проходит через определенные фильтры, такие как линзы поляризованных солнцезащитных очков, или когда он излучается в горячих областях космоса, где присутствуют магнитные поля. Подобно тому, как поляризованные солнцезащитные очки улучшают наше зрение, уменьшая отражения и блики от ярких поверхностей, астрономы могут улучшить свой взгляд на область вокруг черной дыры, наблюдая, насколько поляризован свет от нее. В частности, поляризация позволяет астрономам составить карту линий магнитного поля, присутствующих на внутреннем краю черной дыры.
— Это еще одно ключевое доказательство для понимания того, как магнитные поля ведут себя вокруг черных дыр и как активность в этой очень компактной области пространства может привести к появлению мощных джетов, которые распространяются далеко за пределы галактики», — говорит Мо¶cibrodzka.
— Эта работа является важной вехой. Поляризация света несет информацию, которая позволяет нам лучше понять физику, лежащую в основе изображения черной дыры, которое мы увидели в апреле 2019 года, что было невозможно ранее. Получение нового изображения в поляризованном свете потребовало многих лет работы из-за сложных методов, связанных с получением и анализом данных, объясняет Иван Марти-Видаль из Университета Валенсии, другой координатор рабочей группы EHT по поляриметрии.
Jets
Как только критический порог близости превышен, ничто не может вырваться из объятий черной дыры. Но не вся материя аккреционного диска, вращающегося вокруг массивного объекта, неизбежно оказывается за горизонтом событий. Небольшая его часть каким-то образом пробирается из внутренней области аккреционного диска к полюсам, где выбрасывается в космос в виде потоков ионизированной плазмы со скоростью, составляющей значительный процент от скорости света.
Астрофизики давно подозревали, что магнитные поля играют роль как в поддержании роста черных дыр, так и в выбросе материи и энергии в мощных джетах. До сих пор ученые могли измерять магнитные поля в джетах, но новое исследование дает им возможность взглянуть непосредственно на магнитные поля, которые порождают джеты.
Яркие струи энергии и материи выбрасываются с огромной скоростью из ядра M87 и распространяются по крайней мере на 5 000 световых лет от галактического центра. Это одна из самых загадочных и энергичных особенностей M87. Большая часть материи, вращающейся вблизи края черной дыры, падает внутрь. Однако часть ее удается избежать попадания в ловушку черной дыры, и она выбрасывается в космос в виде струй.
Чтобы лучше понять этот процесс, ученые опирались на модели поведения материи вблизи черной дыры. Хотя пока неясно, каким именно образом из ядра галактики, которое по размерам сравнимо с Солнечной системой, выбрасываются струи, превышающие размеры самой галактики. На самом деле, также неизвестно, как именно материя поглощается черной дырой. Благодаря новому изображению черной дыры и ее тени в поляризованном свете, ученым впервые удалось заглянуть в область непосредственно за черной дырой, где происходит взаимодействие между поступающей и выбрасываемой материей. Наблюдения дают новую информацию о структуре магнитных полей на краю черной дыры. Команда обнаружила, что только теоретические модели, указывающие на газ под сильным влиянием магнитных полей, могут объяснить то, что можно увидеть на горизонте событий.
— Наблюдения показывают, что магнитные поля на краю черной дыры достаточно сильны, чтобы оттолкнуть горячий газ и помочь ему противостоять гравитационному притяжению. Только газ, проскальзывающий через поле, может закрутиться в спираль по направлению к внутренней части горизонта событий, объясняет Джейсон Декстер из Университета Колорадо в Боулдере, координатор теоретической рабочей группы EHT.
