Дыра на месте

Коллаборация Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) представила новое изображение сверхмассивной черной дыры М87*, полученное по данным наблюдений 2018 года. На картинке — все то же яркое кольцо с тенью от черной дыры в центре. А самое большое отличие от изображения 2017 года — светлое пятно сместилось на 30 градусов против часовой стрелки. Не густо. Так почему радиотелескопы продолжают наблюдать этот объект? Что еще мы хотим увидеть? Давайте разбираться.

Меня зовут Михаил Лисаков, и я изучаю черные дыры. С 2020 года я вхожу в коллаборацию EHT. Вообще, мой основной интерес — джеты, узкие пучки электронов, разгоняемые черными дырами до 0,999 скорости света (тут я о них больше рассказываю). Особенно яркие джеты, направленные на нас, видны на огромных расстояниях и служат маяками для построения системы координат. Ваш телефон уже не раз определял по ним свое местоположение на поверхности Земли. И если мы, например, хотим сделать геолокацию еще более филигранной, нужно понять физику релятивистских джетов. А для этого — разобраться, как же черные дыры их запускают.

Что показало самое первое изображение?

Первый снимок черной дыры в галактике М87 позволил измерить видимый диаметр ее кольца — 42 микросекунд дуги. Такое кольцо может быть создано черной дырой с массой 6,5 миллиардов масс Солнца — как раз такая масса там и находится, судя по динамике звезд и газа. Эти значения не зависят от математических моделей черной дыры и аккрецирующего вещества, поэтому должны сохраняться от наблюдения к наблюдению (их можно записать в учебники).

Мы знаем, как должна работать аккреция. На суперкомпьютере мы смоделировали 60 тысяч черных дыр с разными параметрами и веществом, которое на них падает. Получились идеальные изображения М87*, которые мы привели к качеству реальных. Большинство из них оказались совсем непохожими на действительное — значит в них спин, магнитное поле или какие-то другие параметры неправильные. А вот те изображения, которые напоминали реальное, определили диапазон физических параметров черной дыры и окружающего вещества. Оказалось, что более яркая нижняя половина кольца объясняется допплеровским усилением излучения из-за вращения вещества вокруг черной дыры: сама она быстро вращается, а вещество вокруг нее сильно замагничено.

Это первое наблюдение черной дыры позволило опровергнуть некоторые теории гравитации. Например, в центре М87 точно находится не кротовая нора и не голая сингулярность. Так что общая теория относительности пока выдерживает проверку.

Зачем продолжили наблюдать и обрабатывать данные?

Во-первых, научные результаты обязательно нужно перепроверять. Недавно ученые «открыли» высокотемпературный сверхпроводник. Потом проверили — не подтвердилось, расстроились — работают дальше. В случае с EHT так не получится, потому что аналогичных телескопов нет. Свои результаты EHT может подтвердить только сам.

Во-вторых, были данные. Телескоп работал в 2018-м, когда даже внутри коллаборации ни у кого еще не было изображений за прошлый год и никто не знал, успешны ли те наблюдения. Раз данные есть — надо их обработать. Обработали — публиковать.

В-третьих, хотелось ответить новыми результатами на критику японских астрономов под руководством Макото Миёси. Его команда утверждала, что в данных EHT 2017 года нет никакого кольца, зато есть джет протяженностью 1000–10000 микросекунд. Но EHT в 2017-м не мог регистрировать такие большие структуры — это раз. Мы нашли ошибки в их алгоритмах — это два. И в конце концов получили такое же кольцо по новым данным. Шах и мат.

В-четвертых, в 2018 году чувствительность EHT увеличилась в 1,5 раза благодаря более широкой полосе приема сигнала. А к наблюдениям подключился телескоп в Гренландии. При небольшом числе телескопов добавление одного увеличивает количество данных на целых 30 процентов. Правда, погода подвела, и поэтому в 2018 году качество данных получилось похожим на 2017-й.

В-пятых, в 2017 году согласованное изображение получили тремя разными алгоритмами. А вот данные 2018 года обработали уже восемью, и все уверенно восстановили кольцевую структуру с одинаковым размером и распределением яркости. Напомню, интерферометр измеряет амплитуду и фазу пространственных частот, и для получения изображения еще надо сильно постараться. Современные астрономические данные — это на 20 процентов наблюдения и на 80 процентов математика.

Что получилось?

Мы ожидали, что две характеристики изображения останутся неизменными: диаметр кольца и его неоднородная яркость. Это бы согласовалось с общей теорией относительности и подтвердило качество наблюдений и анализа. Так и вышло. Ведь если ОТО работает, то диаметр кольца зависит от расстояния до Земли и массы черной дыры, которую за один год значимо не изменишь. М87*, конечно, поглощает газ, но очень медленно, около 1/1000 массы Солнца в год (это тоже стало известно благодаря EHT). Расстояние же практически постоянно на таком промежутке времени. Гипотеза подтвердилась: размер кольца в 2018 году, 45 микросекунд, не отличается от предыдущего измерения с учетом погрешности. И яркость нового кольца такая же неоднородная — это связано с вращением вещества вокруг черной дыры: остановить его или существенно замедлить не получится.

Но что могло — то поменялось. В частности, самая яркая часть кольца за год переместилась на 30 градусов против часовой стрелки. Излучение вокруг черной дыры, которое и видно на картинке, складывается из тонкого фотонного кольца и более размытого гравитационно-линзированного излучения. Первое более-менее однородное по яркости, а вот второе отражает реальное движение вещества вокруг черной дыры, поэтому распределение яркости в кольце может меняться со временем. Теперь мы смогли увидеть это напрямую, хотя указания на такие перемещения были и в более ранних данных, до EHT.

Что еще можно увидеть в интерферометр?

Судя по яркостной температуре более миллиарда градусов, излучение M87* порождается синхротронным механизмом. А значит, мы можем рассмотреть линейную и круговую поляризацию излучения. Линейная поляризация скажет, какова конфигурация и напряженность магнитного поля в аккреционном диске, а круговая поможет различить фотонное кольцо на фоне остального излучения.

Пока данные 2018 года проходили первичную обработку, мы выжали все из показаний 2017-го. В частности, узнали, что магнитное поле должно пронизывать аккреционный диск насквозь, а увлечение системы отсчета вращающейся черной дырой в М87 — его закручивать. Именно такие условия нужны для запуска черной дырой релятивистского джета. Хотя поле там оказалось на удивление маленьким: от 1 до 30 Гаусс, — меньше, чем у магнита на холодильнике. В некоторых квазарах магнитные поля в тысячу раз сильнее.

Еще мы поняли, что с круговой поляризацией работать и работать. Синхротронное излучение в ней выглядит в 100–1000 раз слабее, чем в неполяризованном свете. А реальный сигнал сложно выделить на фоне инструментальных помех. Поэтому нам нужно больше чувствительных телескопов.

Ученые просто подтвердили результат?

Непросто, но да. Более того, мы наблюдали М87* в 2021-м, 2022-м и продолжим дело в 2024-м. Неужели осталось еще что-то не открытое? О, да!

По теням черных дыр у EHT три большие задачи:

1. Получить видео тени черной дыры. Это лучше сработает для SgrA*, но и для М87* будет интересно: увидим, как вещество падает в черную дыру, как развиваются неоднородности в диске, как магнитное поле пытается остановить аккрецию.

2. Понаблюдать больше черных дыр: все они меньше и дальше, поэтому сложно их разглядеть.

3. Зарегистрировать, наконец, джет в М87.

Мне особенно интересно последнее. На самом деле, уже есть изображение тени черной дыры вместе с джетом в М87. Только получили его не на EHT, а на 86-гигагерцовом интерферометре GMVA (Global mm-VLBI Array). Здесь кольцо больше по диаметру, и пока непонятно, почему, ведь фотонные кольца ахроматические: их размер не зависит от частоты излучения и определяется только массой черной дыры. Скорее всего при 86 гигагерцах детектируется внешнее вещество аккреционного диска и не определяется внутреннее, ближайшее к черной дыре. Поэтому диаметр кольца получается больше. А на высоких частотах диск видно вплоть до границы тени черной дыры, но не видно на больших удалениях, где для высоких частот излучение уже слишком слабое. Большее кольцо также может быть оболочкой джета в самом его начале. Тогда на более низких частотах излучение приходит из внешней его части, а на высоких — из внутренней. Что это на самом деле, мы выясним с помощью будущих многочастотных наблюдений GMVA на 86 гигагерцах и EHT на 230 и 345 гигагерцах.

Посмотрите на этот красавец-джет. Мы хотим визуализировать его с помощью EHT, потому что все-таки угловое разрешение нашего телескопа в три раза выше и позволит понять, правда ли джет запускается самой черной дырой или же аккреционный диск тоже в деле. В данных 2018 года джет не виден, но в 2021 и 2022 годах мы его наблюдали уже с одиннадцатью телескопами, и на этот раз должны заметить.

Кроме показанного сегодня нового изображения предстоит еще совместный анализ наблюдений за два года в поляризованном свете. Очень интересно, изменилась ли напряженность и конфигурация магнитного поля вокруг черной дыры, темп аккреции, сможем ли мы точнее определить спин черной дыры. Уже скоро мы обо всем этом расскажем.

Еще пять лет назад мы не думали, что можно разглядеть черную дыру. Сейчас мы научились наблюдать такие объекты на высоких частотах с интерферометром, подробно изучили две черные дыры, измерили их параметры и убедились, что общая теория относительности работает. Через десять лет мы поймем, как черные дыры разгоняют вещество до скорости света, научимся различать фотонные кольца и, наконец, запишем видео падения вещества в черную дыру. Для этого нам хватит двадцати телескопов и бюджета фильма «Интерстеллар». Только у нас все будет по-настоящему.