Колаборація «Телескоп горизонту подій» (Event Horizon Telescope, EHT), яка отримала першу в історії світлину чорної діри, тепер оприлюднила нове зображення масивного об’єкта в центрі галактики Мессьє 87 (M87): його вигляд в поляризованому світлі. Вперше астрономи змогли виміряти поляризацію, що є ознакою магнітних полів, близько до краю чорної діри. Ці спостереження є основою для пояснення того, як галактика M87, розташована від Землі на відстані 55 мільйонів світлових років, здатна випускати високоенергетичні струмені зі свого ядра.
«Тепер ми маємо наступний важливий доказ, щоб зрозуміти поведінку магнітних полів навколо чорних дір, і як активні процеси в цій дуже компактній ділянці космосу можуть спричиняти утворення потужних струменів, що виходять далеко за межі галактики», — сказала Моніка Мочіброджка (Monika Mościbrodzka), координатор робочої групи з поляриметрії EHT та доцент Радбаудського університету в Нідерландах.
10 квітня 2019 року науковці оприлюднили перше в історії зображення чорної діри, виявивши яскраву кільцеподібну структуру з темною центральною областю, — тінь чорної діри. Відтоді дослідники з Колаборації EHT виконали глибший аналіз даних про надмасивний об’єкт у центрі галактики M87, що були зібрані в 2017 році. Вони виявили — значна частина випромінювання з околиці чорної діри M87 поляризована.
«Ця робота є важливою віхою: поляризація світла несе інформацію, що дає нам змогу краще зрозуміти фізику небесного тіла, яке ми сфотографували в квітні 2019 року, і яка раніше було недоступною», — пояснив Іван Марті-Відаль (Iván Martí-Vidal), також координатор робочої групи з поляриметрії EHT та заслужений дослідник проєкту GenT з університету Валенсії в Іспанія. Він додав, що «для оприлюднення цього нового зображення у поляризованому світлі знадобилося кілька років роботи з використанням складних методів, що стосуються отримання та аналізу даних».
Світло стає поляризованим, коли воно проходить через певні фільтри, наприклад, поляризаційні лінзи сонцезахисних окулярів, або коли воно виникає в ділянках космічного простору з високою температурою, де присутні магнітні поля. Подібно до того, як поляризаційні окуляри допомагають нам краще бачити, зменшуючи відбите світло від яскравих поверхонь та відблиски, астрономи можуть краще бачити ділянку навколо чорної діри, спостерігаючи її в поляризованому світлі. Зокрема, поляризація дає змогу астрономам складати мапи силових ліній магнітного поля на внутрішньому краї чорної діри.
«Нові зображення в поляризованому світлі є основою для розуміння того, як магнітне поле “дозволяє” чорній дірі поглинати речовину й викидати потужні струмені», — сказав учасник Колаборації EHT Ендрю Чаел (Andrew Chael), співробітник прогарами NASA Hubble з Принстонського Центру теоретичної науки та Принстонської ініціативної групи з гравітації (Princeton Gravity Initiative) в США.
На світлині, складеній з окремих знімків, показано три різні зображення центральної ділянки галактики Мессьє 87 (M87) у поляризованому світлі. На верхньому, отриманому за допомогою Великої міліметрової/субміліметрової антени Атакама (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA), видно частину струменя розміром 6000 світлових років ближче до центра галактики. Середнє зображення показує ділянку простору поперечником приблизно один світловий рік. Його отримано за допомогою Антени з дуже довгою базою (Very Long Baseline Array, VLBA) Національної радіоастрономічної обсерваторії США. Нижнє зображення отримав «Телескоп горизонту подій» (Event Horizon Telescope, EHT) — «зв’язка» восьми телескопів по всьому світу, що утворює віртуальний телескоп розміром із Землю. Це дало змогу астрономам побачити ділянку простору, що лежить дуже близько до надмасивної чорної діри, де виникають високоенергетичні струмені. Лінії на зображеннях позначають орієнтацію поляризації, яка пов’язана з магнітним полем в цих ділянках космічного простору. Дані ALMA містять опис структури магнітного поля вздовж струменя. Тому поєднання інформації від EHT та ALMA дає змогу астрономам вивчати роль магнітних полів від околиці горизонту подій (яку спостерігав EHT на масштабі світлового дня) до відстаней далеко за межами галактики M87 вздовж її потужних струменів (які спостерігала ALMA на масштабі тисячі світлових років). Вказано частоту випромінювання, яке реєстрували різні телескопи. Горизонтальні лінії показують масштаб (у світлових роках) кожного з цих зображень. Фото з сайту www.eso.org.
Яскраві струмені енергії та речовини, що виходять із ядра галактики M87 і простягаються принаймні на 5000 світлових років від її центра, — це одна з найзагадковіших та високоенергетичних особливостей галактики. Більшість речовини, що лежить близько до краю чорної діри, потрапляє всередину. Однак деякі частинки за кілька миттєвостей до поглинання чорною дірою вириваються з її «обіймів» і їх викидає далеко в космос у вигляді струменів.
Астрономи розробили різні моделі того, як поводиться речовина поблизу чорної діри, щоб краще зрозуміти цей процес. Але вони все ще точно не знають, як струмені, більші за галактику, вириваються з її центральної ділянки, розміри якої співмірні з розмірами Сонячної системи, а також як саме речовина потрапляє в чорну діру. Завдяки новому зображенню чорної діри та її тіні в поляризованому світлі, астрономам вперше вдалося прямо зазирнути в регіон за межами чорної діри, де відбувається взаємодія між речовиною, яку вона поглинає і яку викидає назовні.
Спостереження дають нову інформацію про структуру магнітних полів одразу за межами чорної діри. Дослідники виявили, що лише теоретичні моделі, які розглядають сильно намагнічений газ, можуть пояснити те, що вони спостерігають поблизу горизонту подій.
«Спостереження вказують на те, що магнітні поля на краю чорної діри досить сильні, щоб відштовхнути гарячий газ і допомогти йому протистояти силі тяжіння. Тільки газ, який “прослизає” крізь магнітне поле, рухається по спіралі до горизонту подій», — пояснив Джейсон Декстер (Jason Dexter), доцент Колорадського університету в Боулдері (США) і координатор Робочої групи теоретиків Колаборації EHT.
Для спостережень галактики M87 Колаборація об’єднала вісім телескопів по всьому світу, зокрема й Велику міліметрову/субміліметрову антену Атакама (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA) і телескоп APEX (Atacama Pathfinder EXperiment, які Європейська південна обсерваторія (European Southern Observatory, ESO ) використовує на умовах партнерства, щоб створити EHT — віртуальний телескоп розміром із Землю. Дуже висока роздільна здатність, отримана за допомогою EHT, еквівалентна роздільній здатності, що дає змогу виміряти із Землі довжину кредитної картки на поверхні Місяця.
Мессьє 87 (M87) — величезна еліптична галактика, що лежить від Землі на відстані приблизно 55 мільйонів світлових років у напрямку сузір’я Діви. Цей об’єкт відкрив у 1781 році Шарль Мессьє, але тільки у ХХ ст. астрономи зрозуміли, що це галактика. Її маса вдвічі більша, ніж Молочного Шляху, і вона містить у десять разів більше зір — це одна з найбільших галактик у локальному Всесвіті. Як і у всіх інших великих галактик, у центрі M87 є надмасивна чорна діра. Її обрали як мішень для спостережень за допомогою Телескопа горизонту подій (Event Horizon Telescope, EHT) бо її розміри великі, як порівняти з іншими надмасивними чорними дірами, а також тому, що M87 лежить досить близько до небесного екватора, якщо дивитись з нашої планети, і тому її видно з більшої частини Північної та Південної півкуль Землі. Це дало змогу більшій кількості телескопів в мережі EHT її спостерігати, що збільшило роздільну здатність отриманого зображення.
Це зображення галактики М87 отримано за допомогою приймача FORS2 (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph), встановленого на Дуже великому телескопі ESO. Зображення отримали в рамках програми Cosmic Gems — науково-просвітницького проєкту, що використовує телескопи ESO для створення зображень цікавих, загадкових або візуально привабливих об’єктів для цілей освіти та просвітництва. Проєкт використовує час телескопа, який не може бути використаний для наукових спостережень, і створює захопливі зображення деяких найразючих об'єктів на нічному небі. Фото з сайту www.eso.org.
«Використання ALMA та APEX, що завдяки своєму південному розташуванню покращили якість зображення, збільшивши географічні розміри мережі EHT, дало змогу європейським науковцям зіграти головну роль у дослідженні», — сказала Франчіска Кемпер (Francisca Kemper), науковий керівник Програми ALMA від Європи в ESO. «Завдяки своїм 66 антенам ALMA зробила основний внесок в загальній системі збору сигналів поляризованого світла, тоді як APEX мав важливе значення для калібрування зображення».
«Дані ALMA також мали вирішальне значення для калібрування, відображення та інтерпретації спостережень EHT, забезпечуючи жорсткі обмеження теоретичних моделей, що пояснюють, як речовина поводиться поблизу горизонту подій чорної діри», — додав Чіріако Ґодді (Ciriaco Goddi), науковець з Радбаудського університету та Лейденської обсерваторії в Нідерланди, який виконав супровідне дослідження, засноване лише на спостережних даних від ALMA.
Можливості EHT дали змогу науковцям прямо спостерігати тінь від чорної діри та кільце світла навколо неї, при цьому нове зображення у поляризованому світлі чітко показує, що кільце намагнічене. Результати нового дослідження опубліковані в двох окремих статтях у The Astrophysical Journal Letters від імені Колаборації EHT. У дослідженні взяли участь понад 300 науковців з різних організацій та університетів з усього світу.
«Телескоп горизонту подій швидко прогресує, відбувається технологічна модернізація спостережної мережі, до неї приєднуються нові обсерваторії. Ми очікуємо, що майбутні спостереження EHT дозволять точніше встановити структуру магнітного поля навколо чорної діри та більше з’ясувати про фізику гарячого газу в цьому регіоні», — підсумував учасник Колаборації EHT Чжонґ-Го Пак (Jongho Park), член Східноазіатської асоціації основних обсерваторій (East Asian Core Observatories Association Fellow) з Інституту астрономії та астрофізики Академії наук (Academia Sinica) в Тайбеї.
За інф. з сайту www.eso.org підготував Іван Крячко
