Новые изображения раскрывают удивительные свойства черной дыры в центре M87

В 2019 году ученые, использующие телескоп горизонта событий (EHT), представили первое изображение черной дыры. После многих лет сбора данных с обсерваторий по всему миру, человечество получило возможность увидеть сверхмассивную черную дыру (СМЧД) в центре галактики M87, которая находится на расстоянии примерно 53,5 миллиона световых лет от Земли в созвездии Девы. С тех пор последующие наблюдения предоставили дополнительные детали и понимание экстремальной физики черных дыр.

Недавно международная команда, возглавляемая исследователями из Шанхайской астрономической обсерватории (SAO), провела первое пространственно разрешенное спектральное исследование черной дыры M87 с использованием данных, полученных в 2018 году с помощью EHT и Глобального миллиметрового VLBI массива (GMVA). Объединив изображения горизонта из нескольких обсерваторий, они создали первую пространственно разрешенную карту, показывающую, как спектральная подпись черной дыры M87 изменяется в зависимости от расстояния. Эта работа выходит за рамки простого изображения структуры плазмы за пределами горизонта событий и предоставляет новый метод для характеристики экстремальной физики и условий, присутствующих в окрестностях черной дыры.

Астрономы из SAO работали в сотрудничестве с исследователями из ключевой лаборатории ради астрономии и технологий Китайской академии наук, Центра вычислительных наук Университета Цукуба в Японии, Института ради астрономии INAF, Андалузского института астрофизики CSIS и Института ради астрономии Макса Планка (MPIR). Результаты их работы были опубликованы 20 июля в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Обследование команды основывалось на данных, полученных в 2018 году с помощью EHT и GMVA. Они объединили изображения горизонта в диапазоне экстремально высоких частот (EHF) радиоволн и высокочастотном крае микроволн (1,3 и 3,5 мм). Как было отмечено, полученный спектральный индекс показывает, что радиационные свойства вокруг черной дыры варьируются в зависимости от расстояния. Например, в самой внутренней области спектральный индекс положителен и немного увеличивается в зависимости от радиуса.

Это указывает на то, что излучения в этой области значительно подвержены самоабсорбции синхротронного излучения, процессе, при котором электроны, движущиеся через магнитное поле почти со скоростью света, повторно поглощают фотоны, которые они ранее излучили. На более дальних расстояниях спектральный индекс уменьшается и становится отрицательным, что указывает на переход к режиму, когда фотоны, излучаемые черной дырой, свободно покидают область без поглощения, рассеяния или повторного излучения. Этот переход происходит на расстоянии около 30 микроарсекунд (μas) от черной дыры, что соответствует кольцевой структуре, наблюдаемой с помощью GMVA.

Это открытие предполагает, что кольцевая структура, выявленная EHT в 2019 году, тесно связана с физическим состоянием плазмы рядом с горизонтом событий, а не является просто морфологической особенностью. Таким образом, эти наблюдения предоставили новый способ характеристики экстремальных физических условий вокруг черных дыр, выходящий за рамки простого изображения структуры. Исследование стало возможным благодаря достижениям в области миллиметровой очень длинной базовой интерферометрии (VLBI), которые позволили проводить исследования изображений на различных частотах.

Доктор Шан-Шан Чжао, помощник исследователя в SAO и первый автор статьи, отметил:

Получив первое пространственно разрешенное распределение спектрального индекса черной дыры M87, мы можем количественно охарактеризовать, как радиационные свойства меняются в регионе вокруг черной дыры. Это позволяет нам напрямую исследовать, как свойства плазмы варьируются на горизонте и предоставляет новые подсказки для понимания аккреционных потоков и формирования струй.

Анатомия черной дыры, подчеркивающая аккреционный диск, горизонт событий и другие области. Кредит: NASA

С продолжающимися достижениями в области миллиметровой VLBI астрономы смогут наблюдать черные дыры на большем количестве частот, с большей чувствительностью и с более высокими возможностями временного разрешения изображений. Это предоставит еще больше информации о явлениях, начиная от аккреции черных дыр и формирования струй до радиационных процессов в сильных гравитационных полях. Такие исследования еще больше углубят наше понимание экстремальных плазменных сред вокруг черных дыр. Как отметил соавтор и исследователь SAO доктор Ру-Сен Лю:

Мультичастотное изображение на горизонте станет мощным инструментом для диагностики физических условий плазмы рядом с черными дырами. С улучшением наблюдательных возможностей мультичастотные наблюдения помогут отделить эффекты плазменной физики от гравитационных сигнатур в изображениях черных дыр, что позволит проводить более точные исследования аккреции черных дыр, формирования струй и гравитации в сильных полях.