В прошлом году первое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры стало научной сенсацией. Его получила международная группа астрономов на проекте Event Horizon Telescope (EHT). С тех пор и учёные, и простые любители астрономии с нетерпением ожидали, что эта глобальная обсерватория покажет дальше. 5 апреля коллектив EHT опубликовал в журнале Astronomy & Astrophysics свою новую научную работу со внушительным списком из 351 автора. Мир увидел их новый результат: изображение релятивистской струи квазара 3C 279 с беспрецедентным разрешением.
Эта релятивистская струя или, как её ещё часто называют, джет, исходит от сверхмассивной чёрной дыры. Она находится в ядре квазара 3C 279, который расположен на расстоянии в 5 миллиардов световых лет от Земли.
Новый «снимок» получили в ходе той же самой наблюдательной кампании, что и историческое изображение «тени» чёрной дыры в галактике М87. Кавычки у слова «снимок» поставлены не случайно. В проект EHT входит несколько обсерваторий, каждая из которых проводит свои наблюдения. Они синхронизированы таким образом, что радиотелескопы объединяются в один радиоинтерферометр с длиной плеча, сопоставимой с размером Земли. Данные с каждой обсерватории с помощью сложных вычислительных алгоритмов обрабатываются и объединяются с остальными. В результате синтезируется изображение с настолько высоким разрешением, что для его получения обычным способом потребуется радиотелескоп размером с Землю.
Коллектив EHT проводил свою наблюдательную кампанию в апреле 2017 года. Объект 3C 279 был в ней одной из четырёх второстепенных целей. Выбран он был не случайно. Галактика M87 близко расположена и обладает очень крупной сверхмассивной чёрной дырой. Однако она является относительно слабым источником гамма-излучения. Это значит, что вещество в её ядре поглощается не очень активно, если сравнивать с квазарами. Именно для их изучения и был выбран 3C 279.
Квазары представляют собой молодые галактики, в ядрах которых центральные чёрные дыры активно поглощают окружающую материю. При этом вещество образует вращающийся аккреционный диск и нагревается до невероятно высоких температур. Оно светится по всему электромагнитному спектру, но особенно ярко в гамма-лучах.
Квазары обычно расположены на очень больших расстояниях от Солнца. Различить их на небе сложно. Но квазар 3C 279 — один из самых ярких источников гамма-излучения, поскольку он одновременно ещё и блазар. Это означает, что его чрезвычайно яркий и изменчивый джет направлен в сторону наблюдателя, то есть на нас.
По мере приближения материи к сверхмассивной чёрной дыре, около 10 её процентов попадает в джеты и разгоняется почти до скорости света. Это происходит благодаря динамическим взаимодействиям в аккреционном диске, влиянию магнитного поля и сложным релятивистским эффектам, таким как эффект Лензе-Тирринга (frame-dragging — увлечение инерциальных систем отчёта). Изображение подобного джета и получил международный коллектив EHT. Оно настолько детальное, что позволяет отследить релятивистскую струю вплоть до её основания вблизи аккреционного диска. Для стороннего наблюдателя изображение может показаться несколько смазанным, но для учёных это настоящий кладезь информации.
К примеру, неожиданностью для астрономов EHT стал следующий факт: вместо того, чтобы быть прямым, как это ранее предполагалось, джет оказался искривлён у своего основания. Это можно объяснить взаимодействием с аккреционным диском.
Астрономы проводили наблюдения в течение четырёх дней. Данные одновременно собирали на восьми наземных станциях в шести обсерваториях по всему миру. Затем их обрабатывали на суперкомпьютерах института Макса Планка. Большая база получившегося «виртуального» радиотелескопа позволила запечатлеть крошечные изменения в релятивистской струе. Они показывают то, что предсказывалось моделями, но никогда не наблюдалось непосредственно — движение аккреционного диска и разрыв материала, когда тот падает в чёрную дыру. В том, что раньше, например, на снимках проекта Радиоастрон выглядело единым радиоисточником, удалось рассмотреть две отдельные составляющие. Их движение заметно даже на масштабах световых месяцев: материя в джете 3C 279 несётся к нам на скорости в 99,5% от скорости света.
Для науки о чёрных дырах это выдающиеся открытия. Полагаясь ранее на моделирование и наблюдения с низким разрешением, учёные ещё многого не знают о свойствах этих загадочных объектов и о том, как на самом деле образуются их релятивистские струи. В ближайших исследованиях они надеются изучить такие свойства чёрных дыр, как конфигурация их магнитного поля и энергетический баланс джетов. Так что новый снимок показывает ещё и то, что человечество пока находится лишь в начале долгого и славного пути изучения чёрных дыр.
Источники:
aanda.org
astroexplorer.org
sciencealert.com
