12 травня поточного року на одночасних прес-конференціях в усьому світі, зокрема в штаб-квартирі Європейської південної обсерваторії (European Southern Observatory, ESO) у Німеччині, астрономи оприлюднили перше зображення надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики Молочний Шлях. Цей результат дає як переконливі докази того, що об’єкт справді є чорною дірою, так і цінні підказки про діяльність таких гігантів, які, як вважають астрономи, перебувають у центрі більшості галактик. Зображення отримала міжнародна група дослідників, які утворили колаборацію під назвою «Телескоп горизонту подій» (Event Horizon Telescope, EHT) і виконують спостереження за допомогою всесвітньої мережі радіотелескопів.
Отримане зображення — це довгоочікуваний погляд на масивний об’єкт, який міститься в самому центрі нашої галактики. Раніше астрономи спостерігали зорі, що обертаються навколо чогось невидимого, компактного і дуже масивного в центрі Молочного Шляху. На підставі таких спостережень було впевнено висловлено припущення, що цей об’єкт — відомий як Стрілець A* (Sgr A*, вимовляється «sadge-ay-star») — є чорною дірою, і отримане зображення — перший цьому прямий візуальний доказ.
Хоча ми не можемо побачити саму чорну діру, бо вона повністю темна, газ, що світиться навколо неї, демонструє характерну ознаку: темну центральну ділянку (її називають тінню), оточену яскравою кільцеподібною структурою. Новий погляд на об’єкт фіксує світло, зігнуте потужною гравітацією чорної діри, яка в чотири мільйони разів масивніша, ніж Сонце.
«Ми були приголомшені тим, як добре розмір кільця узгоджується з передбаченнями загальної теорії відносності Айнштайна, — сказав науковець колаборації EHT Джеффрі Бауер (Geoffrey Bower) з Інституту астрономії та астрофізики Академії Сініка (Academia Sinica) в Тайбеї. «Ці безпрецедентні спостереження значно покращили наше розуміння того, що відбувається в самому центрі Галактики, і дають нам змогу сформулювати нове уявлення про те, як ці гігантські чорні діри взаємодіють зі своїм оточенням». Результати колаборації EHT оприлюднені в спеціальному випуску The Astrophysical Journal Letters.
Оскільки чорна діра лежить на відстані приблизно 27 000 світлових років від Землі, нам здається, що вона має на небі приблизно такий же розмір, як пончик на Місяці. Щоб отримати її зображення, науковці створили потужний Телескоп горизонту подій. EHT — це вісім наявних радіообсерваторій, розміщених у різних куточках планети, які разом утворюють єдиний віртуальний телескоп «розміром із Землю». Об’єкт Sgr A*спостерігали кілька ночей у 2017 році, збираючи дані багато годин поспіль приблизно так, як за допомогою цифрової камери роблять знімки з тривалою експозицією.
Мапа земної кулі, що показує розміщення радіообсерваторій, які утворюють мережу Event Horizon Telescope (EHT). Цю мережу астрономи використали, щоб отримати зображення чорної діри Стрілець A* (Sgr A*) в центрі нашої галактики. Телескопи, виділені жовтим кольором, були частиною мережі EHT під час спостережень Sgr A* у 2017 році. До них належать Велика міліметрова/субміліметрова антена Атакама (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), 30-метровий телескоп IRAM, телескоп імені Джеймса Клерка Максвелла (James Clark Maxwell Telescope, JCMT), Великий міліметровий телескоп (Large Millimeter Telescope, LMT), Субміліметрова антена (Submillimeter Array, SMA), Субміліметровий телескоп (Submillimetere Telescope, SMT) і телескоп Південного полюса (South Pole Telescope, SPT). Синім кольором виділено три телескопи, додані до EHT Collaboration після 2018 року: Гренландський телескоп (Greenland Telescope), Північний розширений міліметровий масив антен (NOrthern Extended Millimeter Array, NOEMA) у Франції та 12-метровий телескоп UArizona ARO на горі Кітт-Пік в США. Фото з сайту www.eso.org.
Окрім інших радіотелескопів, мережа EHT включає Велику міліметрову/субміліметрову антену Атакама (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA) і Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) в пустелі Атакама в Чилі. Ці радіотелескопи використовує ESO від імені її держав-учасників з Європи. Внесок у спостереження EHT роблять також радіотелескопи, розміщені на території Європи. Це 30-метровий телескоп IRAM в Іспанії та Північний розширений міліметровий масив антен (NOrthern Extended Millimeter Array, NOEMA) у Франції (з 2018 року). Для об’єднання даних, отриманих EHT, використовують суперкомп’ютер, розміщений в Інституті радіоастрономії Товариства Макса Планка (Німеччина). Крім того, Європа надала фінансування проєкту колаборації EHT через гранти Європейської дослідницької ради та Товариства Макса Планка в Німеччині.
«Для ESO дуже захопливо, що обсерваторія протягом багатьох років відіграє таку важливу роль у розкритті таємниць чорних дір, зокрема Sgr A*», — прокоментував новий науковий результат генеральний директор ESO Ксав’є Барконс (Xavier Barcons). «ESO не тільки зробила свій внесок у спостереження EHT завдяки ALMA та APEX, але й уможливила в своїх інших обсерваторіях в Чилі виконати деякі з попередніх проривних спостережень за галактичним центром». (Ідеться про дослідження групи науковців, яку очолювали Райнхар Гензель і Андреа Гез. За ці дослідження Р. Гензель і А. Гез отримали Нобелівську премію з фізики 2020 року — Ред.)
Нове досягнення EHT — це продовження тих досліджень, завдяки яким у 2019 році було отримане перше зображення чорної діри під назвою M87* в центрі більш віддаленої галактики Мессьє 87.
Дві чорні діри мають надзвичайно схожий вигляд, хоча чорна діра нашої галактики у понад тисячу разів менша і менш масивна, ніж M87*. «У нас є два абсолютно різних типи галактик і дві дуже різні маси чорних дір, але поблизу краю цих чорних дір вони дивно схожі», — зауважила Сера Маркофф (Sera Markoff), співголова Наукової ради EHT і професор теоретичної астрофізики в Амстердамському університеті в Нідерландах. «Це вказує нам на те, що загальна теорія відносності керує цими об’єктами на близькій відстані, а будь-які відмінності, які ми бачимо далі, мають бути пов’язані з відмінностями в речовині, що оточує чорні діри.»
Перші два зображення чорних дір. Ліворуч — M87*, надмасивна чорна діра в центрі галактики Мессьє 87 (M87). Вона лежить на відстані 55 мільйонів світлових років від нас. Праворуч — Стрілець A* (Sgr A*), чорна діра в центрі Молочного Шляху. Два зображення показують вигляд чорних дір на небі, а їхні яскраві кільця мають приблизно однаковий розмір, незважаючи на те, що M87* приблизно в тисячу разів більша, ніж Sgr A*. Зображення отримані за допомогою Телескопа горизонту подій (Event Horizon Telescope, EHT), глобальною мережею радіотелескопів. До її складу входять Велика міліметрова/субміліметрова антена Атакама (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA) і Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), співвласником яких є ESO. Фото з сайту www.eso.org.
Отримати цей результат було значно складніше, ніж для M87*, хоча Sgr A* набагато ближче до нас. Науковець колаборації EHT Чі-Кван Чан (Chi-kwan («CK») Chan) з обсерваторії Стюарда та Інституту наукових даних Аризонського університету (США) пояснив: «Газ в околицях чорних дір рухається з однаковою швидкістю — майже так само швидко, як світло — навколо Sgr A* і M87*. Але там, де газу потрібні від кількох днів до тижнів, щоб зробити оберт навколо великої чорної діри M87*, у разі набагато меншої Sgr A* він обертається навколо неї за лічені хвилини. Це означає, що яскравість і структура газу навколо Sgr A* швидко змінювалися. Тому спостереження EHT трохи нагадували спробу зробити чітке фото цуценяти, яке швидко вертиться, намагаючись піймати свій хвіст».
Дослідникам довелося розробити нові складні методи, які б пояснювали рух газу навколо Sgr A*. Хоча M87* була легшою та стійкішою ціллю, майже всі зображення виглядали однаково, для Sgr A* цього не було. Зображення чорної діри Sgr A* є середнім із різних зображень, отриманих науковою групою. Воно, нарешті, вперше показує гігант, що ховається в центрі нашої галактики.
Ці зусилля стали можливими завдяки винахідливості понад 300 дослідників із 80 інститутів у всьому світі, які разом складають EHT Collaboration. Окрім розробки складних інструментів для подолання проблем, пов’язаних із створенням зображень Sgr A*, наукова група ретельно працювала протягом п’яти років, використовуючи суперкомп’ютери, для об’єднання та аналізу своїх даних. При цьому вона ствоила безпрецедентну бібліотеку змодельованих чорних дір для порівняння із спостереженнями.
Науковці особливо раді, що нарешті отримали зображення двох чорних дір дуже різних розмірів, бо це дає можливість зрозуміти, чим вони схожі, а чим відмінні. Дослідники також почали використовувати нові дані для перевірки теорій і моделей того, як газ поводиться навколо надмасивних чорних дір. Цей процес ще не повністю зрозумілий, але астрономи вважають, що він відіграє головну роль у формуванні та еволюції галактик.
Порівняння розмірів двох чорних дір, зображення яких отримано за допомогою телескопа Event Horizon Telescope (EHT): M87*, в центрі галактики Мессьє 87, і Стрілець A* (Sgr A*), в центрі Молочного Шляху. На світлині показано розміри Sgr A* у порівнянні як з M87*, так і з елементами Сонячної системи, такими як орбіти Плутона і Меркурія. Також показано діаметр Сонця та поточне розташування космічного зонда «Вояджер-1», найвіддаленішого космічного апарата від Землі. M87*, що лежить на відстані 55 мільйонів світлових років, є однією з найбільших відомих чорних дір. Тоді як Sgr A*, що міститься на відстані 27 000 світлових років, має масу приблизно в чотири мільйони разів більшу, ніж маса Сонця, M87* у понад 1000 разів масивніша. Через відносну відстань від Землі обидві чорні діри на небі мають однаковий розмір. Фото з сайту www.eso.org.
«Тепер ми можемо вивчити відмінності між цими двома надмасивними чорними дірами, щоб отримати нові цінні підказки про те, як працює цей важливий процес», — сказав науковець EHT Кейчі Асада (Keiichi Asada) з Інституту астрономії та астрофізики Академії Сініка. «У нас є зображення двох чорних дір — одна на кінці шкали великих надмасивних чорних дір у Всесвіті, а друга — на іншому, тому ми можемо піти набагато далі, ніж будь-коли раніше, у перевірці того, як діє гравітація в цих екстремальних середовищах».
Прогрес у EHT триває: велику кампанію спостережень у березні 2022 року виконали більше телескопів, ніж будь-коли раніше. Постійне розширення мережі EHT та значні технологічні оновлення дають змогу науковцям вже в найближчому майбутньому продемонструвати ще більш разючі зображення, а також фільми про чорні діри.
За інф. з сайту www.eso.org підготував Іван Крячко
