Различные пути фотонов создают слои света. Фото: Джордж Вонг (UIUC) и Майкл Джонсон (CfA)

Этот подвиг стал возможен благодаря технике, известной как интерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ), которая позволила ученым увидеть яркое кольцо, окружающее сверхмассивную черную дыру (СМЧД) в центре галактики M87. Новое исследование международной группы астрономов показало, как космическая интерферометрическая миссия может раскрыть еще больше секретов, скрывающихся за завесой горизонта событий черной дыры.

Исследование возглавил Леонид Гурвиц, исследователь из Объединенного института интерферометрии со сверхдлинной базой, Европейского консорциума исследовательской инфраструктуры (JIVE ERIC) и Делфтского технологического университета. К нему присоединились исследователи из Института радиоастрономии (INAF), Нидерландского института космических исследований (SRON), Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), Инициативы по черной дыре и несколько университетов и научно-исследовательских институтов.

Как они указывают в своем исследовании, сверхвысокое угловое разрешение в астрономии всегда рассматривалось как путь к крупным открытиям. В этом процессе, известном как интерферометрия, несколько обсерваторий собирают свет от одного объекта, который в противном случае было бы очень трудно разрешить. В последние годы астрономы полагались на РСДБ для обнаружения излучения на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн. Соавтор исследования доктор Жолт Параги, коллега-исследователь JIVE ERIC, сообщил по электронной почте: «В целом, изображения с высоким угловым разрешением достигаются в астрономии тремя способами: увеличением размера наших телескопов, наблюдением света на более коротких длинах волн , устранение (или, по крайней мере, компенсация) возмущений, вызываемых земной атмосферой.

«Радиоастрономия стала пионером в разработке методов визуализации, основанных на интерферометрии, когда сигналы от разных телескопов на больших расстояниях органично (в нашей терминологии: когерентно) объединяются. При этом решающим фактором, определяющим разрешающую способность прибора, является расстояние между телескопами, которое мы называем базовыми линиями».

Хорошим примером этого является телескоп Event Horizon Telescope (EHT), который сделал первое изображение сверхмассивной черной дыры (M87) 10 апреля 2019 года. За ним в 2021 году последовало изображение центральной области галактики Центавр A. и исходящая от него радиоструя. Однако эти изображения были не более чем слабыми кругами, которые представляли свет, пойманный в ловушку в пределах горизонта событий сверхмассивной ЧД — границы, за которую ничто (даже свет) не может выйти.

Тем не менее, изображение M87, полученное EHT, стало первым прямым подтверждением существования сверхмассивных чёрных дыр и первым изображением теней, окружающих одну из них. На этом изображении также видно падающее вещество вокруг сверхмассивной черной дыры, искаженное чрезвычайно сильной гравитацией. В последние годы, по словам доктора Параги, произошли и другие разработки в области РСДБ, которые дают представление о том, что грядет:

«Другим ключевым результатом последних лет стало доказательство космологического происхождения загадочных радиовспышек, длящихся миллисекунды, которые мы называем быстрыми радиовсплесками это очень короткие сигналы, которые чрезвычайно трудно уловить даже самыми современными интерферометрами.

«Эти изображения сантиметровой длины волны не только показывают, из какой галактики исходят сигналы, но также могут сузить положение сигнала до небольших областей внутри галактики, что будет иметь решающее значение для понимания явления».

Моделирование фотонного кольца для M87*. Предоставлено: Эндрю Чейл и др.

По мнению астрономического сообщества, следующим логическим шагом будет захват фотонного кольца. В этой области сила гравитации настолько сильна, что фотоны вынуждены двигаться по орбитам. На изображениях EHT большая часть света от этого кольца была рассеяна до того, как достигла Земли, создавая в результате относительно размытые изображения. Чтобы развить свой успех, EHT следующего поколения (ngEHT) добавит десять новых телескопов и модернизирует те, которые уже являются частью сети.

Однако, по словам доктора Параги, с помощью космических РСДБ-массивов астрономы смогут предоставить наиболее подробные изображения фотонных колец вокруг сверхмассивных чёрных дыр и даже самих горизонтов событий. Ради своего исследования команда рассмотрела потенциал будущего космического телескопа VLBI, известного как Терагерцовое исследование и приближение для астрофизики (THEZA), который был предметом официального документа Гурвица, Параги и многих других ученых членов команды, которые являются авторами этой последней статьи.

Этот документ был представлен в рамках ESA Voyage 2050, открытого конкурса предложений для научных миссий большого класса, которые состоятся в 2035–2050 годах. Подобно космическим телескопам, изучающим космос в оптическом, инфракрасном, рентгеновском, радио и других диапазонах спектра, эта концепция требует создания космического интерферометра для изучения физики пространства-времени вблизи сверхмассивных ЧД. Как описал это доктор Параги:

«Наблюдение из космоса на очень коротких длинах волн, от миллиметровых до субмиллиметровых, откроет новые измерения для РСДБ. Преимущества миссии, основанной на концепции THEZA, двояки. Horizon Telescope [или ngEHT], новая популяция сверхмассивных черных дыр будет доступна для получения разрешенных изображений теней черных дыр, которые скрыты для этих инструментов. Кроме того, это позволит проводить уникальные исследования спина черных дыр и пространственно-временных свойств, а также."

Команда проверила все элементы телескопа, включая антенные системы, приемники, малошумящие усилители, гетеродины, смесители, а также средства передачи и обработки данных. Они обнаружили, что интерферометр, основанный на концепции THEZA, позволит достичь трех основных целей астрономической миссии со сверхвысоким угловым разрешением. Короче говоря, он будет свободен от помех со стороны атмосферы Земли и будет наблюдать за черными дырами на более высоких частотах и ​​с более длинными базовыми линиями, чем когда-либо прежде.

«Изучая уникальные системы, состоящие из близких пар сверхмассивных черных дыр, THEZA может выявить процессы, которые привели к ускоренному росту черной дыры на заре Вселенной, что также оказало сильное влияние на эволюцию галактик», — добавил доктор Параги. «Что еще более важно, THEZA расширит наши горизонты для детального измерения тени черной дыры. Это приведет к лучшему пониманию гравитации, что важно, потому что гравитация играет фундаментальную роль в формировании Вселенной».

В ближайшие годы обсерватории нового поколения будут полагаться на усовершенствованные детекторы и технологии передачи данных, чтобы получить еще более подробную картину некоторых из самых загадочных объектов во Вселенной. К ним относятся такие предложения, как предлагаемый космический телескоп «Спектр-М», который, как ожидается, будет запущен к 2030 году. Этот инструмент будет оснащен главным зеркалом диаметром 10 м (33 фута), способным наблюдать за космосом в диапазоне от субмиллиметрового до дальнего инфракрасного диапазона.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), который достиг своей орбитальной точки назначения (L2) в январе и был почти достаточно холодным (по состоянию на конец апреля), чтобы начать работу, скоро проведет собственные интерферометрические исследования. Являясь частью прибора для формирования изображений в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевого спектрографа (NIRISS), интерферометр с маскировкой апертуры (AMI) превратит полную апертуру сегментированных зеркал JWST в интерферометрическую матрицу.

С планами НАСА по отправке астронавтов обратно на Луну (как в прошлом в рамках программы Артемиды) и другими космическими агентствами, приступающими к программам исследования Луны, есть даже предложения построить РСДБ-телескопы на обратной стороне Луны, где они будут свободны от атмосферных или световых помех.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org