Астрономы показали первое изображение черной дыры в центре нашей галактики
На одновременных пресс-конференциях по всему миру, в том числе на спонсируемой Национальным научным фондом пресс-конференции в Национальном пресс-клубе США в Вашингтоне, округ Колумбия, астрономы представили первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Этот убедительно доказывает, что объект является черной дырой, и дает ценные сведения о работе таких гигантов, которые находятся в центре большинства галактик.
Изображение было создано глобальной исследовательской группой под названием Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration с использованием наблюдений всемирной сети радиотелескопов.
Первое изображение черной дыры в центре Млечного Пути. Это первое изображение Стрельца A* (или сокращенно Sgr A*), сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Это первое прямое визуальное свидетельство присутствия этой черной дыры. Он был захвачен Телескопом Горизонта Событий (EHT), массивом, который соединил восемь существующих радиообсерваторий по всей планете, чтобы сформировать единый виртуальный телескоп «размером с Землю». Телескоп назван в честь «горизонта событий», границы черной дыры, за которую не может выйти свет. Хотя мы не можем видеть сам горизонт событий, потому что он не может излучать свет, светящийся газ, вращающийся вокруг черной дыры, обнаруживает контрольную сигнатуру: темную центральную область (называемую «тенью»), окруженную яркой кольцеобразной структурой. Новый вид фиксирует свет, искривленный мощной гравитацией черной дыры, которая в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца. Изображение черной дыры Sgr A* представляет собой среднее значение различных изображений, полученных коллаборацией EHT из наблюдений 2017 года. Кредит: Сотрудничество EHT
Изображение представляет собой долгожданный взгляд на массивный объект, который находится в самом центре нашей галактики. Ранее ученые видели звезды, вращающиеся вокруг чего-то невидимого, компактного и массивного в центре Млечного Пути. Это убедительно свидетельствовало о том, что этот объект, известный как Стрелец A* (Sgr A*, произносится как «sadge-ay-star»), является черной дырой, и сегодняшнее изображение дает первое прямое визуальное свидетельство этого.
Мы не можем видеть саму черную дыру, потому что она совершенно темная, но светящийся газ вокруг нее дает характерный признак: темную центральную область (называемую «тенью»), окруженную яркой кольцеобразной структурой. Новый вид фиксирует свет, искривленный мощной гравитацией черной дыры, которая в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца.
«Мы были ошеломлены тем, насколько хорошо размер кольца согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна», — сказал ученый проекта EHT Джеффри Бауэр из Института астрономии и астрофизики Академии Синика, Тайбэй. «Эти беспрецедентные наблюдения значительно улучшили наше понимание того, что происходит в самом центре нашей галактики, и предлагают новое понимание того, как эти гигантские черные дыры взаимодействуют со своим окружением». Результаты команды EHT опубликованы сегодня в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters.
Поскольку черная дыра находится на расстоянии около 27 000 световых лет от Земли, кажется, что в небе она имеет примерно такой же размер, как пончик на Луне. Чтобы отобразить его, команда создала мощный EHT, который соединил восемь существующих радиообсерваторий по всей планете, чтобы сформировать единый виртуальный телескоп размером с Землю. EHT наблюдал Sgr A * несколько ночей, собирая данные в течение многих часов подряд, подобно использованию длинной выдержки на камере.
И точно так же, как и для мощной камеры, съемка Sgr A* требовала поддержки самых чувствительных инструментов в радиоастрономии. Эта чувствительность обеспечивается 1,3-миллиметровыми приемниками диапазона 6 на Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетке Атакама (ALMA), разработанной Центральной лабораторией разработки (CDL) Национальной радиоастрономической обсерватории Национального научного фонда США (NRAO).
Создание изображения черной дыры в центре Млечного Пути. Кредит: Сотрудничество EHT
«Мы в CDL очень гордимся тем, что предоставили некоторые важные технологии для поддержки этого удивительного открытия коллаборации EHT», — сказал Берт Хокинс, директор CDL, который объяснил роль Band 6 и CDL в проведении исследований и результатов. «Наша команда внесла свой вклад, установив на ALMA изготовленные на заказ атомные часы и перепрограммировав коррелятор ALMA, чтобы сделать телескоп фазированной решеткой. Это фактически превратило телескоп в единую тарелку с эффективным диаметром 85 метров — самый большой компонент на EHT. Кроме того, в CDL вместе с нашими партнерами в Университете Вирджинии».
Прорыв последовал за выпуском коллаборацией EHT в 2019 году первого изображения черной дыры под названием M87 * в центре более далекой галактики Мессье 87.
Две черные дыры выглядят удивительно похожими, хотя черная дыра нашей галактики более чем в 1000 раз меньше и менее массивна, чем M87*. «У нас есть два совершенно разных типа галактик и две очень разные массы черных дыр, но вблизи края этих черных дыр они выглядят удивительно похожими», — говорит Сера Маркофф, сопредседатель Научного совета EHT и профессор теоретической теории астрофизики в Амстердамском университете, Нидерланды. «Это говорит нам о том, что общая теория относительности управляет этими объектами вблизи, и любые различия, которые мы видим дальше, должны быть связаны с различиями в материале, который окружает черные дыры».
Это достижение было значительно сложнее, чем для M87*, хотя Sgr A* гораздо ближе к нам. Ученый EHT Чи-Кван («CK») Чан из Обсерватории Стюарда и Департамента астрономии и Института науки о данных Аризонского университета, США, объясняет: «Газ в окрестностях черных дыр движется с той же скоростью — почти со скоростью света — вокруг Sgr A* и M87*. Но там, где газу требуется от нескольких дней до нескольких недель, чтобы совершить оборот вокруг более крупного M87*, в гораздо меньшем Sgr A* он совершает оборот за считанные минуты. Это означает, что яркость и Газовая картина вокруг Sgr A* быстро менялась, пока коллаборация EHT наблюдала за ней — это было похоже на попытку сделать четкий снимок щенка, который быстро гоняется за своим хвостом».
Исследователям пришлось разработать новые сложные инструменты, которые учитывали бы движение газа вокруг Sgr A*. В то время как M87* была более легкой и устойчивой целью, и почти все изображения выглядели одинаково, это не относится к Sgr A*. Изображение черной дыры Sgr A* является средним из изображений, извлеченных командой, и, наконец, впервые показывает гиганта, скрывающегося в центре нашей галактики.
Это стало возможным благодаря изобретательности более 300 исследователей из 80 институтов по всему миру, которые вместе составляют коллаборацию EHT. В дополнение к разработке сложных инструментов для решения проблем с визуализацией Sgr A*, команда усердно работала в течение пяти лет, используя суперкомпьютеры для объединения и анализа своих данных, одновременно собирая беспрецедентную библиотеку смоделированных черных дыр для сравнения с наблюдениями.
Sgr A*, произносится как sadge-ay-star, представляет собой сложный радиоисточник в центре Галактики Млечный Путь, в котором находится сверхмассивная черная дыра, или СМЧД. Более 300 исследователей из 80 учреждений по всему миру работали вместе, чтобы получить изображение SgrA* с помощью телескопа горизонта событий (EHT), глобального телескопа, состоящего из нескольких работающих вместе радиорешеток. Визуально SgrA* очень похожа на M87*, первую черную дыру, которая когда-либо была изображена. Но новые результаты показали, что они настолько разные, насколько это возможно. Авторы и права: NRAO/AUI/NSF, сотрудничество EHT
«Эта работа ясно демонстрирует критическую важность использования радио, миллиметровых и субмиллиметровых частот для понимания самых экстремальных условий во Вселенной», — сказал Тони Ремиджан, директор Североамериканского научного центра ALMA (NAASC) в NRAO. «Использование этих частотных диапазонов — единственный способ раскрыть уникальную среду, окружающую черную дыру, которая полностью скрыта на других частотах. Добавление ALMA также имело решающее значение для наблюдений, поскольку оно обеспечивало необходимую чувствительность для однозначного выполнения этого наблюдения. Объединение всего данные с объектов по всему миру — с ALMA в качестве якоря для всех этих объектов — обеспечили чувствительность и разрешение, необходимые для таких открытий, и это только начало.
Ученые особенно взволнованы тем, что наконец-то получили изображения двух черных дыр очень разных размеров, что дает возможность понять, как они сравниваются и контрастируют. Они также начали использовать новые данные для проверки теорий и моделей поведения газа вокруг сверхмассивных черных дыр. Этот процесс еще не до конца изучен, но считается, что он играет ключевую роль в формировании и эволюции галактик.
«Теперь мы можем изучить различия между этими двумя сверхмассивными черными дырами, чтобы получить новые ценные сведения о том, как работает этот важный процесс», — сказал ученый EHT Кейичи Асада из Института астрономии и астрофизики Академии Синика, Тайбэй. «У нас есть изображения двух черных дыр — одной на большом конце и одной на маленьком конце сверхмассивных черных дыр во Вселенной — так что мы можем пойти намного дальше в тестировании того, как гравитация ведет себя в этих экстремальных условиях, чем когда-либо прежде».
Прогресс в области EHT продолжается: в марте 2022 года в рамках крупной наблюдательной кампании было задействовано больше телескопов, чем когда-либо прежде. Продолжающееся расширение сети EHT и значительные технологические обновления позволят ученым в ближайшем будущем делиться еще более впечатляющими изображениями и видеороликами черных дыр.
В 2021 году NSF и совет ALMA одобрили многомиллионную модернизацию приемников диапазона 6 обсерватории в рамках Североамериканской программы развития ALMA. Модернизация повысит количество и качество научных измерений на длинах волн от 1,4 мм до 1,1 мм, что обеспечит исследовательским проектам, таким как EHT, более высокую чувствительность, чем когда-либо прежде, и, в конечном итоге, более точные и эффективные научные результаты. Кроме того, очень большой массив следующего поколения (ngVLA) NRAO получил положительную поддержку в десятилетнем опросе Astro2020. В настоящее время, на ранней стадии планирования и разработки, ngVLA достигнет высокоприоритетных целей в астрономии и астрофизике и должен стать конечной машиной для поиска черных дыр .
«Эти новые результаты EHT впечатляют как потому, что они показывают нам, как далеко продвинулась астрономия, так и потому, что они подтверждают, что еще так много всего, что мы не видели и еще не смогли наблюдать и изучать». сказал д-р Тони Бизли, директор NRAO. «Антенны и приборы, которые мы проектируем и разрабатываем в NRAO, делают этот прогресс возможным, и мы с нетерпением ждем продолжения достижений в области радиоастрономии , которые откроют черные дыры и другие явления, скрывающиеся в уголках галактики и Вселенной».
