Астрофизики определили условия наблюдения структуры фотонного кольца черной дыры

Астрофизики назвали требования, при выполнении которых станет возможным изучение отдельных частей фотонного кольца черной дыры, пока не выявленных Телескопом горизонта событий. Эти подкольца должны специфически отображаться при наблюдении на интерферометрах, что позволит измерить их характеристики и, следовательно, получить точные оценки массы и момента импульса черной дыры. Необходимые измерения можно провести на высоких радиочастотах или при помощи наземно-космического интерферометра, такого как проектируемый в России аппарат «Миллиметрон», пишут авторы в журнале Science Advances.

Черная дыра — это объект с экстремальной гравитацией, которая настолько сильна, что не позволяет даже свету покинуть его окрестности. Расстояние, на котором даже радиально движущиеся фотоны не способны удалиться от черной дыры на бесконечность, называется горизонтом событий. Обычно именно он принимается за размер черной дыры.

В апреле 2019 года впервые было получено изображение тени черной дыры. Это было сделано при помощи Телескопа горизонта событий — радиоинтерферометрической сети телескопов, которые собирали данные на длине волны в 1,3 миллиметра. На нем видно размытое светящееся кольцо, окружающее темную область — тень черной дыры.

Однако эта область с диаметром около сорока микросекунд дуги примерно в два с половиной раз больше горизонта событий, так как не существует траекторий фотонов, проходящих так близко к дыре и достигающих наблюдателя на Земле. Иначе можно сказать, что все лучи зрения, проходящие внутри кольца, оканчиваются на горизонте событий, но некоторым при этом придется значительно искривиться вблизи черной дыры.

Американские астрофизики при участии Майкла Джонсона (Michael Johnson) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики определили условия наблюдения структуры этого кольца и назвали параметры инструментов, которые могли бы ее выявить. Согласно выводам их работы, чтобы увидеть первые подструктуры, достаточно наблюдений на более высоких частотах или подключения к сети нового радиотелескопа на низкой орбите Земли. Однако, чтобы зафиксировать более детальную картину, понадобится уже инструмент на Луне, а еще лучше — крупный приемник в точке Лагранжа L₂, как это предлагается сделать в рамках российского проекта «Миллиметрон».

Из теории следует, что вокруг черной дыры должен быть виден бесконечный набор вложенных кольцеобразных изображений Вселенной, которые соответствуют траекториям фотонов, сделавших разное количество полуоборотов вокруг черной дыры перед движением к наблюдателю. Эта структура не видна на полученном в прошлом году изображении, так как его углового разрешения недостаточно для этого. Ученые хотели бы рассмотреть эти подкольца, так как анализ их параметров позволил бы с высокой точностью измерить характеристики черной дыры (массу и момент вращения), а также на новом уровне протестировать предсказания общей теории относительности.

Окружающий черную дыру аккреционный диск из раскаленного вещества является доминирующим источником излучения в ее окрестности. Поэтому при наблюдении черной дыры мы регистрируем как непосредственное свечение диска, так и многочисленные кольца, которые оказываются искаженными изображениями того же диска, пришедшими к наблюдателю с различными временными задержками. Теоретические оценки показывают, что общая яркость колец составляет порядка десяти процентов от суммарной.

Авторы новой работы показывают, что так как кольца обладают близким размером и строго определенной геометрической формой (связанной с вращением черной дыры), то их наличие будет специфически отражаться в данных интерферометров. Так происходит из-за того, что данная техника наблюдений чувствительна к источникам с характерной пространственной периодичностью. В результате, несмотря на тусклость подколец, их наличие можно будет зафиксировать даже при наблюдении на интерферометре с малым заполнением апертуры.

Ученые приходят к выводу, что текущих возможностей Телескопа горизонта событий недостаточно для выявления структуры подколец. Чтобы увидеть ее необходимо увеличить базу интерферометра. Сделать это можно двумя методами: добавлением нового физически более удаленного приемника и переходом на более высокие частоты, так как в таком случае увеличится база, если измерять ее в длинах волн, а именно это важно в случае интерферометрии.

На данный момент наблюдения на достаточно высоких частотах может проводить массив телескопов ALMA, но большинство других инструментов Телескопа горизонта событий для этого не подходит. Можно запустить новый приемник в космос — это увеличит максимальную базу интерферометра и позволит зафиксировать первое подкольцо. Если же разместить инструмент на Луне или на ее орбите, то даже наблюдения на тех же частотах позволят выявить первые два подкольца. Наилучший вариант — это наземно-космический интерферометр с крупным телескопом в точке Лагранжа L₂ на расстоянии в полтора миллиона километров от Земли. Это позволит различить до трех подколец.

Мы подробно описывали эпохальное получение первого изображения тени черной дыры в двух материалах: «Взгляд в бездну» познакомит читателей с представлением ученых о черных дырах и проблемах их наблюдений, а «Заглянуть за горизонт» расскажет о ценных данных, которые ученые извлекли из собранной Телескопом горизонта событий информации.

Тимур Кешелава