Опубликованы 10 лет наблюдений за первой в истории сфотографированной черной дырой M87*

В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий) предоставила первое в истории изображение черной дыры M87* – сверхмассивного объекта в центре галактики M87. Теперь команда EHT проанализировала наборы архивных данных с 2009 по 2013 год, некоторые из которых ранее не публиковались. Анализ показывает поведение черной дыры на протяжении нескольких лет, в том числе постоянство тени в виде полумесяца, а также изменение ее ориентации – кажется, что «серп» колеблется. Полные результаты наблюдений опубликованы в The Astrophysical Journal.

EHT – это глобальный массив телескопов, выполняющих синхронизированные наблюдения с использованием метода интерферометрии с очень длинной базой (VLBI). Вместе они образуют виртуальную радиотарелку размером с Землю, обеспечивая исключительно высокое разрешение изображений.

«Благодаря невероятному угловому разрешению EHT мы могли бы наблюдать за бильярдной игрой на Луне и не терять счет!» – заявил ведущий автор исследования Мацек Вильгус, астроном из Центра астрофизики Гарвард-Смитсоновского института (США).

Черная дыра M87* наблюдалась с помощью первых прототипов EHT, телескопы которых были расположены в трех географических точках в 2009–2012 годах и в четырех точках в 2013 году. В 2017 году EHT достиг зрелости с телескопами, расположенными в пяти различных местах по всему миру.

«В прошлом году мы увидели тень черной дыры, состоящую из яркого полумесяца, образованного горячей плазмой, вращающейся вокруг M87 *, и темной центральной части, где и находится ее горизонт событий. Но эти результаты были основаны только на наблюдениях, проведенных в течение недели в апреле 2017 года, что слишком мало для оценки изменений. На основе прошлогодних результатов мы задали следующие вопросы: согласуется ли морфология полумесяца с архивными данными; указывают ли архивы на аналогичный размер и ориентацию тени М87* в пространстве», – сообщает Мацек Вильгус.

Наблюдения 2009-2013 годов содержат гораздо меньше данных, чем наблюдения 2017 года, что делает невозможным создание изображения. Вместо этого команда EHT использовала статистическое моделирование, чтобы изучить изменения внешнего вида M87* с течением времени. Хотя при построении изображений не делается никаких предположений о морфологии источника, при моделировании данные сравниваются с семейством геометрических шаблонов, в данном случае с кольцами неоднородной яркости. Затем используется статистическая структура, чтобы определить, согласуются ли данные с такими моделями, и найти наиболее подходящие параметры модели.

Ученые показали, что M87* соответствует теоретическим ожиданиям. Диаметр тени черной дыры остался в соответствии с предсказанием Общей теории относительности Эйнштейна для черной дыры с массой 6,5 миллиардов масс Солнца.

«В этом исследовании мы показываем, что общая морфология или наличие асимметричного кольца, скорее всего, сохраняется в течение нескольких лет. Постоянство на протяжении этапов наблюдений придает нам уверенность в природе M87* и происхождении ее тени», – объясняет участник проекта Кадзу Акияма, научный сотрудник Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO).

Но хотя диаметр полумесяца оставался неизменным, команда EHT обнаружила, что данные скрывают большой сюрприз для астрофизиков: кольцо колеблется. Впервые ученые могут наблюдать динамическую структуру аккреционного потока так близко к горизонту событий черной дыры в условиях экстремальной гравитации. Изучение этой области является ключом к пониманию таких явлений, как запуск релятивистских джетов, и позволит ученым сформулировать новые проверки Общей теории относительности.

«Газ, падающий на черную дыру, нагревается до миллиардов градусов, ионизируется и становится турбулентным в присутствии магнитных полей. Из-за этого кажется, что серп со временем колеблется. На самом деле, мы видим здесь довольно много вариаций, и не все теоретические модели аккреции допускают такое сильное колебание. Это означает, что мы можем начать исключать некоторые из моделей, основываясь на наблюдаемой динамике источника», – сказал Вильгус.