Астрономы увидели мерцающую тень черной дыры

Ученые подняли архивные данные астрономических наблюдений и выяснили, что тень черной дыры М87* меняется со временем — она мерцает и переливается. Результаты исследования опубликованы в журнале Astrophysical Journal.

В 2017 году Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) получил первый в истории астрономических наблюдений снимок черной дыры. На нем запечатлена сверхмассивная черная дыра М87* в центре эллиптической галактики Messier 87 (М87) в созвездии Девы.

Общая теория относительности предсказывает, что сверхплотные объекты типа черных дыр искажают пространство-время и нагревают окружающий материал до такой степени, что он начинает светиться. «Подсвеченное» искривленное пространство-время, согласно теории, дает асимметричную тень.

Изображение 2017 года полностью подтвердило теорию. На нем хорошо видна серповидная тень М87* с неравномерным распределением яркости.

Ученые из коллаборации EHT решили поднять архивные данные Телескопа горизонта событий за 2009-2013 годы и посмотреть, как вела себя область тени раньше.

EHT состоит из множества радиотелескопов по всему миру, выполняющих синхронизированные наблюдения с использованием метода интерферометрии с очень длинной базой (VLBI). Вместе они образуют виртуальную радиотарелку размером с Землю, что обеспечивает исключительно высокое разрешение изображений.

Проект стартовал в 2009 году, однако до 2012-го массив EHT включал всего три радиотелескопа, в 2013 году их стало четыре, а в 2017-м — пять. После этого качество изображений сильно выросло, а ученые получили первый снимок черной дыры. Об этом событии было объявлено в апреле 2019 года.

Так как данные 2009-2013 годов гораздо менее детальные, чем наблюдения 2017 года, для их сопоставления ученые использовали статистическое моделирование, основанное на геометрических предположениях.

Выяснилось, что тень уже присутствовала в более ранних наблюдениях. Ее местоположение и размер с 2009 года не изменились, но за это время несколько раз менялось азимутальное распределение яркости. Оказалось, что темный сектор тени постоянно перемещается и кольцо как бы «переливается».

«Анализ данных показывает, что ориентация и тонкая структура кольца меняются со временем. Это дает первое представление о динамической структуре аккреционного потока, окружающего горизонт событий, — приводятся в пресс-релизе немецкого Института радиоастрономии имени Макса Планка слова одного из авторов исследования Томаса Кричбаума (Thomas Krichbaum). — Изучение этой области будет иметь решающее значение для лучшего понимания того, как черные дыры срастаются с веществом и запускают релятивистские джеты».

Авторы объясняют мерцание тем, что газ, падающий на черную дыру, нагревается до миллиардов градусов, ионизируется и становится турбулентным в присутствии магнитных полей. Поскольку поток вещества турбулентный, яркость кольца со временем становится мерцающей.

Исследователи отмечают, что такая гипотеза ставит под сомнение некоторые теоретические модели аккреции и для ее подтверждения нужны дальнейшие наблюдения.

«Мониторинг временной структуры M87 с помощью EHT — это задача, которая будет держать нас в напряжении в течение нескольких следующих лет. Мы работаем над анализом данных 2018 года и готовим новые наблюдения в 2021 году», — заключает Антон Зенсус, директор Института радиоастрономии имени Макса Планка и председатель — основатель Совета по сотрудничеству EHT.

Ученые надеются, что расширение возможностей EHT за счет добавления новых телескопов позволит получить в будущем более детальное изображение тени черной дыры M87* и самой внутренней струи радиогалактики M87.