Более глубокий взгляд на M87*: Новые изображения черной дыры показывают светящееся пушистое кольцо и высокоскоростной джет

Ученые, наблюдающие за компактным радиоядром галактики M87, обнаружили новые подробности о сверхмассивной черной дыре галактики. На этом рисунке видна мощная джетная струя, поднимающаяся из центра черной дыры. Наблюдения, на которых основана эта иллюстрация, впервые позволили получить совместное изображение струи и тени черной дыры, что дает ученым новое представление о том, как черные дыры могут запускать такие мощные струи. Credit: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

Эти наблюдения помогут астрономам лучше понять физику плазмы вокруг черных дыр.

Астрономы использовали Глобальную миллиметровую VLBI-массивную систему (GMVA) для получения детальных изображений M87*, обнаружив более крупное, интенсивное плазменное кольцо и визуальные свидетельства наличия у черной дыры аккреционного диска и релятивистской струи. Эти данные могут открыть путь к лучшему пониманию физики черных дыр.

В 2017 году астрономы получили первое изображение черной дыры, скоординировав радиотарелки по всему миру в единый телескоп планетарного размера. Синхронизированная сеть, известная под общим названием Event Horizon Telescope (EHT), сфокусировалась на M87* — черной дыре в центре близлежащей галактики Messier 87. С помощью лазерной фокусировки телескопа было обнаружено очень тонкое светящееся кольцо вокруг темного центра, что стало первым визуальным наблюдением тени черной дыры.

Теперь астрономы сфокусировали свой взгляд, чтобы запечатлеть новый слой M87*. Группа специалистов, включая ученых из обсерватории Haystack Массачусетского технологического института, задействовала другую глобальную сеть обсерваторий — Global Millimeter VLBI Array (GMVA) — для получения более крупного изображения черной дыры.

Новые изображения, полученные через год после первых наблюдений EHT, показывают более толстое и пушистое кольцо, которое на 50% больше, чем то, о котором сообщалось вначале. Увеличение кольца является отражением разрешения телескопа, которое было настроено таким образом, чтобы уловить больше сверхгорячей, светящейся плазмы, окружающей черную дыру.

Впервые ученые смогли увидеть, что часть кольца черной дыры состоит из плазмы окружающего аккреционного диска — вихрящегося блина из раскаленных электронов, который, по оценкам специалистов, нагревается до миллиардов градусов Цельсия, поскольку плазма устремляется в черную дыру со скоростью, близкой к скорости света.

На этом снимке впервые вместе показаны джет и тень черной дыры в центре галактики M87. Наблюдения были получены с помощью телескопов Global Millimetre VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), партнером которого является ESO, и Гренландского телескопа. Это изображение дает ученым контекст, необходимый для понимания того, как формируется мощная струя. Новые наблюдения также показали, что кольцо черной дыры, показанное на вставке, на 50% больше, чем кольцо, наблюдаемое на более коротких радиоволнах телескопом Event Horizon Telescope (EHT). Это говорит о том, что на новом изображении мы видим больше материала, падающего в сторону черной дыры, чем при наблюдении с помощью EHT. Credit: R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

На снимках также видна плазма, выходящая из центрального кольца, которая, по мнению ученых, является частью релятивистской струи, вырывающейся из черной дыры. Ученые проследили за этими выбросами в направлении черной дыры и впервые заметили, что основание струи, по-видимому, соединяется с центральным кольцом.

«Это первое изображение, на котором мы можем точно определить местоположение кольца относительно мощной струи, вылетающей из центральной черной дыры», — говорит Казунори Акияма, научный сотрудник обсерватории Haystack Массачусетского технологического института, который разработал программное обеспечение, используемое для визуализации черной дыры. «Теперь мы можем приступить к решению таких вопросов, как захват материи черной дырой и то, как ей иногда удается вырваться наружу».

Акияма входит в состав международной группы астрономов, которые представили новые изображения вместе с их анализом в статье, опубликованной 26 апреля в журнале Nature.

Расширенный глаз

Для получения изображений M87* астрономы использовали метод радиоастрономии, известный как интерферометрия с очень длинной базовой линией (VLBI). Когда радиосигнал проходит мимо Земли, например, от выбросов плазмы черной дыры, его улавливают радиотарелки по всему миру. Затем ученые могут определить время регистрации сигнала каждой антенной, расстояние между ними и объединить эту информацию таким образом, чтобы сигнал был аналогичен сигналу, наблюдаемому одним очень большим телескопом планетарного масштаба.

Когда каждый радиотелескоп настроен на определенную частоту, вся сеть в целом может сфокусироваться на определенной характеристике радиосигнала. Сеть EHT была настроена на частоту 1,3 миллиметра — разрешение, эквивалентное тому, что можно увидеть рисовое зерно в Калифорнии из Массачусетса. При таком разрешении астрономы смогли увидеть большую часть плазмы, окружающей M87*, и получить изображение самого тонкого кольца, тем самым подчеркнув тень черной дыры.

В отличие от этого, сеть GMVA работает на несколько большей длине волны — 3 мм, что дает несколько меньшее угловое разрешение. При такой фокусировке сеть может разрешить не рисовое зерно, а тыквенное семечко. Сама сеть состоит из около десятка радиотелескопов, разбросанных по территории США и Европы, расположенных в основном вдоль оси Земли с востока на запад. Чтобы сделать телескоп поистине планетарного размера, способный уловить далекий радиосигнал от M87*, астрономам пришлось расширить «глаз» сети на север и юг.

Для этого были задействованы еще две радиообсерватории: Гренландский телескоп на севере и Атакамский большой миллиметровый/субмиллиметровый массив (ALMA) на юге. ALMA — это массив из 66 радиотарелок, расположенный в чилийской пустыне Атакама. Ученые MIT Haystack, включая главного научного сотрудника Линн Мэтьюс, работали над фазировкой, или синхронизацией, антенн ALMA, чтобы они работали как единая мощная и важная часть сети GMVA.

«Наличие этих двух телескопов [в составе] глобального массива позволило увеличить угловое разрешение в четыре раза в направлении север-юг», — говорит Мэтьюс. «Это значительно повышает уровень детализации, который мы можем наблюдать. И в данном случае следствием этого стал резкий скачок в нашем понимании физики, действующей вблизи черной дыры в центре галактики M87».

Настройка

14 и 15 апреля 2018 года астрономы скоординировали работу телескопов ГМВА, а также Гренландской и ALMA-обсерваторий для регистрации радиоизлучения на длине волны 3 мм, приходящего со стороны галактики M87. Затем ученые использовали несколько алгоритмов обработки изображений, в том числе разработанный Акиямой, для преобразования результатов наблюдений GMVA в визуальные изображения.

На полученных снимках видно больше плазмы, окружающей черную дыру, в виде более крупного и пушистого кольца. Астрономы также заметили плазму, тянущуюся вверх и в стороны от центрального светящегося кольца.

«Самое интересное, что мы по-прежнему видим центральную темную область, окружающую черную дыру, но также начинаем видеть более протяженную струю, исходящую из этого центрального кольца», — говорит Акияма.

Астрономы надеются определить дополнительные свойства плазмы черной дыры, такие как ее температурный профиль и состав. Для этого планируется настроить EHT и GMVA на новое разрешение. Наблюдения за M87* в нескольких диапазонах длин волн позволят построить многослойную картину и получить более детальное представление о черных дырах и генерируемых ими струях.

Если в мире происходит что-то важное, вы можете настроить радиоприемник как на AM, так и на FM, чтобы составить «полную картину» события», — говорит Джеффри Крю (Geoffrey Crew), научный сотрудник Haystack, работающий над поддержкой ALMA и EHT. «Это ничем не отличается. Можно подумать, что изображение EHT M87* было сделано в FM, а этот результат получен в AM. Оба снимка рассказывают одну историю, и вместе они лучше».

Ссылка: «Кольцеобразная аккреционная структура в М87, соединяющая черную дыру и джет» Ру-Сен Лу, Кейити Асада, Томас П. Кричбаум, Джонго Парк, Фумие Тазаки, Хунг-И Пу, Масанори Накамура, Андрей Лобанов, Казухиро Хада, Казунори Акияма, Дже-Юнг Ким, Иван Марти-Видал, José L. Gómez, Tomohisa Kawashima, Feng Yuan, Eduardo Ros, Walter Alef, Silke Britzen, Michael Bremer, Avery E. Broderick, Akihiro Doi, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Paul T. P. Ho, Mareki Honma, David H. Hughes, Makoto Inoue, Wu Jiang, Motoki Kino, Shoko Koyama, Michael Lindqvist, Jun Liu, Alan P. Marscher, Satoki Matsushita, Hiroshi Nagai, Helge Rottmann, Tuomas Savolainen, Karl-Friedrich Schuster, Zhi-Qiang Shen, Pablo de Vicente, R. Craig Walker, Hai Yang, J. Anton Zensus, Juan Carlos Algaba, Alexander Allardi, Uwe Bach, Ryan Berthold, Dan Bintley, Do-Young Byun, Carolina Casadio, Shu-Hao Chang, Chih-Cheng Chang, Song-Chu Chang, Chung-Chen Chen, Ming-Tang Chen, Ryan Chilson, Tim C. Chuter, John Conway, Geoffrey B. Crew, Jessica T. Dempsey, Sven Dornbusch, Aaron Faber, Per Friberg, Javier González García, Miguel Gómez Garrido, Chih-Chiang Han, Kuo-Chang Han, Yutaka Hasegawa, Ruben Herrero-Illana, Yau-De Huang, Chih-Wei L. Huang, Violette Impellizzeri, Homin Jiang, Hao Jinchi, Taehyun Jung, Juha Kallunki, Petri Kirves, Kimihiro Kimura, Jun Yi Koay, Patrick M. Koch, Carsten Kramer, Alex Kraus, Derek Kubo, Cheng-Yu Kuo, Chao-Te Li, Lupin Chun-Che Lin, Ching-Tang Liu, Kuan-Yu Liu, Wen-Ping Lo, Li