Астрономы впервые получили прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87 и ее тени.

Черные дыры – необычные космические объекты, имеющие гигантские массы и исключительно компактные размеры. Их гравитация настолько велика, что не позволяет «убежать» даже свету. Однако даже сверхмассивные черные дыры с массами свыше 100 тысяч масс Солнца, обнаруженные в центрах многих галактик, в том числе и нашего Млечного пути, представляют собой сравнительно малые объекты, что до сих пор делало невозможным их прямое наблюдение.

Изображение черной дыры: тень чёрной дыры и кольцеобразной структуры вокруг неё. (EHT Collaboration)

Пути фотонов в окрестности черной дыры, объясняющие появление тени и кольцеобразной структуры вокруг неё. (Nicolle R. Fuller/NSF)

Места расположения телескопов EHT, участвовавших в наблюдениях M 87 (NRAO).

Черные дыры ранее обнаруживали благодаря тому, что они оказывают очень сильное влияние на свои окрестности, деформируя пространство-время и нагревая окружающее их вещество до экстремальных температур. Часто они порождают высокоскоростные струи плазмы – джеты, обладающие сильным излучением.

Однако, когда черная дыра погружена в яркий диск светящегося газа, в месте её расположения должна быть видна темная область, напоминающая тень. Она образуется вследствие гравитационного искривления света и его захвата горизонтом событий. Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось.

Область тени – максимально возможное приближение к изображению самой черной дыры, полностью темного объекта, который не выпускает из себя свет. Тень должна быть окружена световым кольцом, возникающим из-за того, что черная дыра работает подобно линзе. Настоящая граница черной дыры — «горизонт событий» примерно в 2,5 раза меньше тени, которую он отбрасывает.

Используя систему из восьми наземных радиотелескопов, получившую название Телескоп горизонта событий, и новые алгоритмы обработки сигнала, астрономам удалось впервые в истории получить изображение тени сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87. Оно представляет собой кольцеобразную структуру с темной центральной областью. Революционные результаты наблюдений представлены в серии из шести статей, опубликованных в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal Letters.

Исследователи сравнили полученные результаты с обширной коллекцией компьютерных моделей, отражающих физические особенности искривленного пространства, нагретого до сверхвысоких температур вещества и сильных магнитных полей. Многие свойства полученного изображения неожиданно хорошо соответствуют теоретическим представлениям. Это дает уверенность в правильности интерпретации наблюдений, в том числе и оценок массы черной дыры.

Галактика M 87 из скопления галактик в созвездии Девы была выбрана для наблюдений не случайно. Размеры горизонта событий черной дыры пропорциональны ее массе, поэтому, чем массивнее черная дыра, тем больше ее тень. Благодаря своей огромной массе (6,5 миллиардов солнечных масс) и относительной близости к Земле (она находится от нас на расстоянии 55 миллионов световых лет) черная дыра в центре галактики M 87 для земного наблюдателя является одной из крупнейших по своим угловым размерам, что и сделало ее идеальной мишенью для исследования. Поперечник её тени немного меньше 40 миллиардов километров.

Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) был создан именно для получения изображений черных дыр. Он представляет собой систему из восьми наземных радиотелескопов, расположенных в разных местах Земли: ALMA, APEX (Чили), 30-метровый телескоп IRAM (Испания), телескоп Джеймса Клерка Максвелла и Субмиллиметровая решетка (Гавайи), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано (Мексика) , Субмиллиметровый телескоп (США) и телескоп на Южном полюсе (Антарктида).

Создание EHT было технической задачей величайшей сложности, решение которой потребовало создания и отладки всемирной сети из восьми уже существовавших радиотелескопов, установленных в труднодоступных высокогорных местностях: на вершинах вулканов на Гавайских островах и в Мексике, в горах Аризоны в США и Сьерра Невады в Испании, в чилийской высокогорной пустыне Атакама и в Антарктике.

Работа EHT основана на применении метода интерферометрии со сверхдлинной базой, который предполагает синхронизацию всех телескопов сети и использует вращение нашей планеты для образования единого гигантского глобального телескопа размером с земной шар, работающего на волне 1,3 мм. Современные алгоритмы обработки позволили EHT достичь углового разрешения в 20 микросекунд дуги, что соответствует способности читать нью-йоркскую газету из парижского кафе.

Петабайты полученных этими телескопами наблюдательных данных были суммированы высокоспециализированными суперкомпьютерами, установленными в Институте радиоастрономии Макса Планка (Германия) и обсерватории Хэйстек (MIT, США). Эти данные после сложнейших процедур обработки с использованием новейших вычислительных методов, разработанных участниками коллаборации, преобразовывались в изображения.

В работе приняло участие более 200 астрономов из  Африки, Азии, Европы, Северной и Южной Америки. 
Создание EHT и наблюдения, результаты которых демонстрируются сегодня, являются кульминацией продолжавшихся в течение десятилетий наблюдательных, технических и теоретических работ. Это пример глобальной кооперации, которая потребовала тесной совместной работы исследователей всего мира. Чтобы создать EHT из уже существовавших прежде инфраструктур, потребовались объединенные усилия тринадцати институтов-партнеров и поддержка множества агентств. Основное финансирование было обеспечено Национальным фондом научных исследований США (NSF), Европейским советом по научным исследованиям ЕС (ERC) и финансовыми организациями Восточной Азии. Полученный результат базируется на десятилетиях европейских исследований в области астрономии миллиметровых волн.

По материалам ESO