Это не новый снимок.
Участники Event Horizon Telescope до сих пор обрабатывают исходные данные, которые получили ещё в 2017 году и за несколько лет до этого. Новых наблюдений за M87 они с тех пор не проводили — помешала пандемия, кроме того, исходных данных оказалось настолько много, что они обеспечили учёных работой на много лет вперёд. За ту наблюдательную кампанию продолжительностью в 10 суток они пронаблюдали, помимо черной дыры M87*, ещё и сверхмассивную чёрную дыру Sagittarius A* в центре нашей Галактики, а также активные ядра галактик, например, квазара 3С 279. Так что работы им хватит ещё надолго.
Чёрная дыра в галактике М87 — одна из самых массивных известных человечеству: 6,5 миллиардов масс Солнца. Её горизонт событий простирается на 120 астрономических единиц (1 а.е. равна среднему расстоянию между Солнцем и Землёй). Она далеко не ближайшая к Солнцу и находится в 54 миллионах световых лет от нас. Но её колоссальная масса делает её очень удобной для наблюдений, даже удобнее, чем наша «родная» чёрная дыра в центре Млечного Пути.
Как размытое оранжевое кольцо стало спиральным оранжевым кольцом?
Объективно говоря, та новая картинка с заметными спиральными полосами — всего лишь визуализация обработанных данных. В реальности они намного прозаичнее. Что же здесь изображено? Вместо измерения яркости излучения, учёные на этот раз измерили степень и направление его поляризации — характеристики света, которая показывает преимущественное направление колебаний электромагнитной волны. То есть ученые смогли измерить не только насколько ярко излучение от окружения чёрной дыры, но и в каком направлении оно поляризовано. Время, которое ушло на обработку данных от единственной наблюдательной кампании Event Horizon Telescope (EHT), показывает колоссальную сложность задач, стоящих перед учёными этой коллаборации.
О чём же может рассказать поляризация света в окрестностях чёрной дыры?
Поляризация света возникает под действием среды, через которую проходят волны. Как в примере выше, где волны механических колебаний проходят через щель, поляризуются и из круговых становятся линейными. На колебания электромагнитного излучения такое влияние оказывает магнитное поле. Поэтому, зная направление и степень поляризации света в аккреционном диске вблизи чёрной дыры, мы можем сказать, как там направлено магнитное поле и какая у него сила. И это напрямую описывает то, как происходит процесс аккреции — поглощения материи чёрной дырой.
Ещё одна важная причина, по которой учёным необходимо знать характеристики магнитного поля у M87* — это релятивистская струя, исходящая от аккреционного диска чёрной дыры. Чудовищно огромный (около 5 тысяч световых лет!) поток ионизированного вещества, движущийся с околосветовой скоростью из ядра галактики М87, обнаружил в 1918 году американский астроном Хербер Кёртис. Это был первый известный объект подобного рода. Позже учёные открыли схожие явления, которые также называют «джетами», у множества других активных галактик. Уже давно известно, что джеты связаны с активно поглощающими вещество чёрными дырами, но науке непонятен механизм их образования. Как материя из обращающегося аккреционного диска устремляется в перпендикулярные к нему струи? Одна из основных гипотез заключается во влиянии на заряженные частицы мощных магнитных полей и релятивистских эффектов в окрестностях чёрной дыры (это так называемый механизм Блендфорда-Знаека). Поэтому информация о природе магнитного поля у M87* позволит объяснить механизм возникновения релятивистских струй.
Что увидели учёные?
Картину поляризации в аккреционном диске M87* даёт синхротронное излучение плазмы в магнитном поле. Точно такое же излучение возникает в круговых ускорителях частиц — синхротронах, отсюда и название. Оно возникает при отклонении траектории движения заряженной частицы, например, электрона, магнитным полем и сильно поляризовано. Учёные сумели построить карту поляризации света в аккреционном диске и воссоздать форму действующего там магнитного поля, чтобы сравнить его с теоретическими моделями.
Направления поляризации синхротронного излучения намагниченной плазмы оказались закрученными вокруг горизонта событий, а не расходящимися от него в разные стороны. Кроме того, степень поляризации излучения оказалась сравнительно небольшой, порядка 10%. Это два главных факта, которые можно почерпнуть из полученных данных.
Первый факт означает, что магнитное поле исходит не от самой чёрной дыры (что укладывается в знаменитую теорему об отсутствии у чёрных дыр «волос», которая гласит, что в рамках Общей теории относительности подобный объект можно описать тремя параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом), а возникает в аккреционном диске. При этом его форма такова, словно оно не увлекается за собой движением заряженного вещества (тогда поле было бы тороидальным, а поляризация света была бы направлена радиально в сторону чёрной дыры), а остаётся стационарным относительно чёрной дыры (то есть имеет полоидальную форму). Этот странный эффект возникает, когда напряжённость магнитного поля так высока, что оно начинает в некотором смысле вести себя как газ. Оно оказывает давление на движущееся в аккреционном диске вещество, сопротивляясь воздействиям, которые слишком близко сводили бы его магнитные линии друг к другу. Этот эффект настолько силён, что вблизи горизонта событий останавливает движение аккреционного диска. Учёные называют такую конфигурацию MAD (Magnetically Arrested Disc) в противовес обычной конфигурации SANE (Standart And Normal Evolution). Вот такая вот безумная игра слов.
Второй факт означает, что большая часть поляризации синхротронного излучения от заряженной плазмы в аккреционном диске «теряется» где-то по пути. Это несколько удивило учёных, которые ожидали увидеть намного более поляризованный свет. Слабая поляризация означает, что в более отдалённых окрестностях чёрной дыры происходят пока не обнаруженные физические процессы с магнитными полями, такие как эффект Фарадея, которые нарушают поляризацию синхротронного излучения плазмы аккреционного диска. Что это за процессы, понять пока не удаётся, потому что разрешающей способности EHT недостаточно, чтобы в подробностях увидеть, что же там творится.
Учёные сравнили картину поляризации с различными моделями чёрных дыр и обнаружили схожую картину у нескольких синтезированных по моделям изображений. В подходящих моделях использовалась конфигурация аккреционного диска MAD. Это указывает на правильность этих моделей, которые потом можно будет использовать для проработки теории образования релятивистских джетов. Учёные считают, что, остановившись под действием мощнейшего магнитного поля во внутренней части аккреционного диска, очень близко к горизонту событий, вещество увлекается в релятивистский джет вдоль линий магнитного поля. По этой модели скорость аккреции чёрной дырой M87* получается довольно малой: 3-20 десятысячных массы Солнца в год.
Почему бы не провернуть тот же трюк с чёрной дырой Sagittarius A* в центре Млечного Пути?
Сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей Галактики в тысячи раз «легче» той, что расположилась в M87. Хотя они и близки по угловым размерам, наблюдать более близкую Sagittarius A* оказывается сложнее из-за межзвёздного вещества и сложных магнитных полей, которые находятся между нами и ядром нашей Галактики. То есть у учёных коллаборации EHT не получается получить настолько качественные данные о нашей чёрной дыре, поэтому ей уделяют меньше внимания.
По значимости для науки эта работа может поспорить с первым снимком тени чёрной дыры. Учёные коллаборации Event Horizon Telescope, ни на день не прекращая сложнейший анализ данных, надеются на расширение и модернизацию своей сети, чтобы получить ещё более качественные данные.
Источник:
iopscience.iop.org