За допомогою Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії, що працював у режимі інтерферометра (Very Large Telescope Interferometer, VLTI), отримано найчіткіші натепер зображення ділянки навколо надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики. Нові зображення, які в 20 разів докладніші, ніж це було можливо до VLTI, дали астрономам змогу знайти поблизу надмасивної чорної діри раніше невідому зорю. На підставі визначення орбіт зір в центрі Чумацького Шляху, дослідники виміряли масу чорної діри з найвищою досі точністю.
«Ми хочемо дізнатися більше про чорну діру в центрі Чумацького Шляху, тобто про Стрілець A*: яка її маса? Вона обертається? Чи зорі біля неї рухаються саме так, як це передбачає загальна теорія відносності Айнштайна? Найкращий спосіб відповісти на ці запитання — слідкувати за зорями на орбітах, близьких до надмасивної чорної діри. І цим дослідженням ми показуємо, що можемо робити це з вищою точністю, ніж будь-коли раніше», — пояснив Райнхард Ґензель (Reinhard Genzel), директор Інституту позаземної фізики Макса Планка (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) в Ґархінзі, Німеччина, який був удостоєний Нобелівської премії з фізики в 2020 році за дослідження об’єкта Стрілець А*. Останні результати, отримані Ґензелем та його групою, розширюють їхнє тридцятирічне дослідження зір, що обертаються навколо надмасивної чорної діри Молочного Шляху. Їх в двох статтях оприлюднив журнал Astronomy & Astrophysics.
Знімок у видимому світлі ділянки зоряного неба в сузір’ї Стрільця в напрямку до центра нашої галактики Молочний Шлях. Все зображення наповнене величезною кількістю зір, але набагато більше їх залишаються прихованим за хмарами пилу і видимі лише на інфрачервоних зображеннях. Це зображення створено із фотографій у червоному та синьому світлі та є частиною Цифрового огляду неба 2 (Digitized Sky Survey 2). Поле зору становить приблизно 3,5 градусів x 3,6 градусів. Фото з сайту www.eso.org.
Прагнучи знайти ще більше зір поблизу чорної діри, наукова група, відома як об’єднання GRAVITY, розробила нову техніку аналізу, що дала науковцям змогу отримати зображення нашого галактичного центра з максимально можливою нині проникною силою та найвищою дотепер просторовою роздільною здатністю (такі зображення часто називають «глибокими» і «чіткими» — Ред.). «VLTI дає нам цю неймовірну просторову роздільну здатність та проникну силу й тому на нових зображеннях ми маємо глибини, яких ніколи раніше не отримували. Ми приголомшені кількістю деталей і зір, які на цих знімках видно навколо чорної діри», — сказала Юулія Стадлер (Julia Stadler), дослідниця Інституту астрофізики Макса Планка в Ґархінзі, яка під час своєї роботи в MPE керувала зусиллями наукової групи з обробки зображень. Примітно: дослідники виявили зорю (її назвали S300), яку раніше не бачили — це свідчить про можливості розробленого ними методу, коли справа доходить до виявлення дуже слабких об’єктів поблизу Стрільця A*.
Ці зображення з позначеннями, отримані за допомогою приймача GRAVITY на інтерферометрі Дуже великого телескопа (Very Large Telescope Interferometer, VLTI) ESO у період з березня до липня 2021 року, показують зорі, що обертаються дуже близько до Sgr A*, надмасивної чорної діри в центрі Молочного Шляху. Одну з цих зір, S29, спостерігали, коли вона наблизилася до чорної діри на мінімальну відстань у 13 мільярдів кілометрів, що лише в 90 разів більше відстані між Сонцем і Землею. Інша зоря, позначена як S300, вперше виявлена у процесі нових спостережень на VLTI. Щоб отримати нові зображення, астрономи використали техніку машинного навчання, яку називають теорією інформаційного поля. Вони створили модель того, який вигляд можуть мати справжні джерела, змоделювали те, як їх зможе побачити приймач GRAVITY, і порівняли це моделювання з реальними спостережними даними від GRAVITY. Це дало їм змогу з великою проникною силою і точністю знаходити та відстежувати зорі навколо Стрільця A*. Фото з сайту www.eso.org.
Під час останніх спостережень, виконаних у березні — липні 2021 року, група зосередилася на точних вимірюваннях руху зір, коли вони наближалися до чорної діри. Серед них була зоря S29, яка наблизилася до чорної діри на мінімально рекордну відстань наприкінці травня 2021 року. Вона пройшла на приголомшливій швидкості 8740 кілометрів за секунду повз неї на відстані всього 13 мільярдів кілометрів, що приблизно в 90 разів перевищує відстань між Сонцем і Землею. Жодну іншу зорю на такій швидкості ніколи не спостерігали так близько до чорної діри.
Вимірювання та зображення, які зробила наукова група, стали можливими завдяки унікальному приймачу GRAVITY. Його об’єднання (колаборація) науковців розробило для розташованого в Чилі VLTI ESO. Приймач GRAVITY об’єднує світло всіх чотирьох 8,2-метрових телескопів (Very Large Telescope, VLT) ESO методом інтерферометрії. Ця методика складна, «але зрештою ви отримуєте зображення в 20 разів чіткіші, ніж з окремих телескопів VLT, й розкриваєте таємниці центра Галактики», — сказав Френк Айзенгауер (Frank Eisenhauer) з MPE, головний дослідник GRAVITY.
«Стеження за рухом зір на близьких орбітах навколо Стрільця A* дає нам змогу точно досліджувати гравітаційне поле навколо найближчої до Землі масивної чорної діри, перевірити загальну теорію відносності та визначити властивості чорної діри», — пояснив Ґензель. Нові спостереження, з урахуванням попередніх даних, отриманих науковою групою, підтверджують: зорі йдуть по орбітах точно так, як передбачає загальна теорія відносності для об’єктів, що рухаються навколо чорної діри з масою в 4,30 мільйона разів більше, ніж у Сонця. Натепер це найточніша оцінка маси центральної чорної діри Молочного Шляху. Дослідникам також вдалося точно виміряти відстань до об’єкта Стрілець A* — вони встановили, що він лежить від Землі на відстані 27 000 світлових років.
На цій мапі показано ділянку небесної сфери в сузір’ї Стрільця, де міститься надмасивна чорна діра Стрілець A* (її позначено червоним колом). На мапі наведено більшість зір, видимих неозброєним оком за хороших умов. Фото з сайту www.eso.org.
Щоб отримати нові зображення, астрономи використали техніку машинного навчання, яку називають теорією інформаційного поля. Вони створили модель того, який вигляд можуть мати справжні джерела, змоделювали те, як їх зможе побачити приймач GRAVITY, і порівняли це моделювання з реальними спостереженими даними від GRAVITY. Це дало їм змогу з великою проникною силою і точністю знаходити та відстежувати зорі навколо Стрільця A*. На додаток до спостережень на GRAVITY, наукова група також використовувала дані, отримані за допомогою двох колишніх приймачів VLT — NACO і SINFONI, і вимірювання, виконані в США обсерваторією імені Кека і обсерваторією Gemini «Джеміні», якою керує NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory).
До кінця цього десятиліття GRAVITY буде оновлено до GRAVITY+, який також встановлять на VLTI ESO. Він матиме чутливість, що дасть змогу виявити слабкіші зорі ще ближче до чорної діри. Наукова група прагне знайти зорі так близько до цього об’єкта, щоб їх орбіти чинили вплив гравітаційні ефекти, викликані обертанням чорної діри. Майбутній Надзвичайно великий телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) ESO, який нині будують в чилійській пустелі Атакама, дасть змогу групі виміряти швидкість цих зір з дуже високою точністю. «Поєднавши можливості GRAVITY+ і ELT ми зможемо дізнатися, як швидко обертається чорна діра», — сказав Айзенгауер. «Це поки що нікому не вдавалося».
За інф. з сайту www.eso.org підготував Іван Крячко
