В апреле 2019 года история сотрудничества телескопа Event Horizon вошла в историю, когда она выпустила первое изображение черной дыры, когда-либо сделанное. Это достижение было сделано десятилетиями и вызвало международный цирк СМИ. Картина была результатом техники, известной как интерферометрия, когда обсерватории по всему миру комбинировали свет от своих телескопов для создания составного изображения.
Это изображение показало то, что астрофизики предсказывали в течение длительного времени, что экстремальный гравитационный изгиб вызывает падение фотонов вокруг горизонта событий, способствуя образованию ярких колец, которые их окружают. На прошлой неделе, 18 марта, команда исследователей из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) объявила о новом исследовании, которое показывает, как изображения черных дыр могут выявить в них сложную субструктуру.
Недавно в журнале появилось исследование, описывающее их результаты под названием «Универсальные интерферометрические сигнатуры фотонного кольца черной дыры». Научные достижения, Команду возглавлял Майкл Джонсон, астрофизик из CfA, а также члены из Гарвардской инициативы «Черная дыра» (BHI), Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Принстонского центра теоретических наук и нескольких университетов.
Как объяснил Джонсон в недавнем пресс-релизе CfA:
«Изображение черной дыры на самом деле содержит вложенные серии колец. Каждое последующее кольцо имеет примерно одинаковый диаметр, но становится все острее, потому что его свет вращается вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем достигнет наблюдателя. С текущим EHT-изображением мы лишь мельком увидели всю сложность, которая должна проявиться в изображении любой черной дыры ».
Как говорит закон общей теории относительности, гравитационные поля изменяют кривизну пространства-времени. В случае черной дыры, эффект является экстремальным и заставляет даже свет (фотоны) падать вокруг них. Эти фотоны бросают тень на яркое кольцо падающего газа и пыли, которое ускоряется до релятивистских скоростей под действием силы тяжести черной дыры.
Вокруг этой затененной области находится «фотонное кольцо», созданное из фотонов, которые сосредоточены сильной гравитацией вблизи черной дыры. Это кольцо может многое рассказать астрономам о черной дыре, поскольку ее размер и форма отражают массу и вращение (иначе называемое «вращение») черной дыры. Благодаря изображениям EHT исследователи черных дыр теперь имеют инструмент для изучения черных дыр.
С 1950-х годов астрономы многое узнали о них, изучая влияние, которое они оказывают на окружающую среду. Другими словами, изучение черных дыр носило косвенный и теоретический характер. Но благодаря способности снимать эти небесные объекты астрономы могут, наконец, непосредственно изучить их и получить реальные данные.
Джордж Вонг, аспирант-физик в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, отвечал за разработку программного обеспечения для моделирования изображений черной дыры. Это программное обеспечение позволяет вычислять изображения с самым высоким на сегодняшний день разрешением и позволяет их команде разбивать их на предсказанные серии подизображений. Как указал Вонг:
«Объединение экспертов из разных областей позволило нам действительно связать теоретическое понимание фотонного кольца с тем, что возможно с наблюдением. То, что начиналось как классические расчеты карандашом и бумагой, побудило нас поднять наши симуляции до новых пределов ».
Что было особенно удивительным для исследователей, тем не менее, было то, как подструктура, раскрытая изображением черной дыры, создает новые возможности для исследований. Хотя обнаруженные ими подстроки обычно не видны невооруженным глазом на изображениях, они дают очень четкие сигналы при наблюдении массивами телескопов с использованием интерферометрии.
Это дает астрономам сравнительно простой способ расширить работу, проводимую коллаборацией EHT. «В то время как для захвата изображений черных дыр обычно требуется много распределенных телескопов, подколоны идеально подходят для изучения, используя только два телескопа, которые очень далеко друг от друга», - сказал Джонсон. «Добавление одного космического телескопа в EHT будет достаточно».
Области астрономии и астрофизики пережили многократные революции в последние годы. Между первыми в мире наблюдениями межзвездных объектов, подтверждением гравитационных волн и первыми прямыми наблюдениями черной дыры. Эти первые позволили провести исследование, которое обещает раскрыть целый ряд загадок о космосе.
Частично исследования группы стали возможными благодаря грантам, выданным НАСА, Национальным научным фондом (NSF), Министерством энергетики (DoE), а также несколькими научно-исследовательскими фондами.
