Нові зображення найфотогенічнішої ями темряви у Всесвіті дають зрозуміти таємничу поведінку чорної діри.
Вперше ми дивимося на джерело колосального струменя плазми, що вилітає в космос з краю надмасивної чорної діри M87*. Це також перший випадок, коли ми побачили тінь чорної діри та її струменя разом на одному зображенні, це зображення повинно допомогти астрономам зрозуміти, як генеруються ці гігантські потоки плазми.
«Ми знаємо, що струмені викидаються з області, що оточує чорні діри, — каже астроном Ру-Сен Лу з Шанхайської астрономічної обсерваторії в Китаї, — але ми все ще не до кінця розуміємо, як це насправді відбувається. Щоб вивчити це безпосередньо, нам потрібно спостерігати походження струменя якомога ближче до чорної діри».
Чорні діри, як ми всі знаємо, відомі тим, що не випромінюють нічого, що ми можемо виявити. Вони настільки щільні, що простір-час фактично деформується в замкнуту сферу навколо них, тому жодна швидкість у Всесвіті не є достатньою для досягнення швидкості евакуації. Але простір за межами цієї кулі – те, що ми називаємо горизонтом подій – це інша справа.
Тут область крайнощів, де панує гравітація. Будь-який матеріал поблизу потрапляє в пастку, обертаючись у диск матеріалу, який виливається на чорну діру, як вода в каналізацію. Тертя та сила тяжіння нагрівають цей матеріал, змушуючи його світитися; це те, що ми побачили на відомому тепер зображенні M87*, яке було вперше опубліковане у 2019 році на основі даних, зібраних у 2017 році за допомогою телескопа Event Horizon Telescope (EHT).
Але не весь матеріал неминуче потрапляє за горизонт подій. Деякі з них знімають край перед тим, як бути запущеними в космос з полярних областей чорної діри, утворюючи струмені, які можуть рухатися зі значним відсотком швидкості світла та пробивати величезні відстані в міжзоряний простір.
Астрономи вважають, що цей матеріал відхиляється від внутрішнього краю диска вздовж ліній магнітного поля за межі горизонту подій. Ці лінії магнітного поля прискорюють частинки так, що коли вони досягають полюсів, вони з великою швидкістю вилітають у космос.
Це широкі штрихи; деталі важче визначити. Ми знаємо, що M87* має струмінь, який досягає 100 000 світлових років у радіохвилях, що приблизно дорівнює діаметру нашої галактики. Тож у 2018 році астрономи використали потужні радіотелескопи, об’єднані в глобальну мм-VLBI-матрицю (GMVA), щоб перевірити, чи зможуть вони детально зафіксувати регіон, з якого стартують реактивні літаки. Він збирав дані на більшій довжині хвилі, ніж EHT, відкриваючи іншу інформацію.
«М87 спостерігали протягом багатьох десятиліть, і 100 років тому ми знали, що реактивний літак був там, але ми не могли поставити його в контекст», — каже Лу. «Завдяки GMVA, включно з основними інструментами в NRAO та GBO, ми спостерігаємо на нижчій частоті, тому ми бачимо більше деталей – і тепер ми знаємо, що є більше деталей, щоб побачити».
Діаграма, що ілюструє структури, пов’язані з активною чорною дірою. (ESO)
Галактика M87 розташована на відстані приблизно 55 мільйонів світлових років від нас і містить надмасивну чорну діру, маса якої приблизно в 6,5 мільярдів разів перевищує масу Сонця, активно накопичуючи речовину з диска навколо неї. Зображення, зроблене EHT, уперше показало тінь цієї чорної діри – темну область посеред сяючого кільця матеріалу, спотвореного гравітаційною кривизною простору-часу.
Нове зображення показує ширшу область простору, ніж зображення EHT. Це показує, що розмір плазми навколо M87* набагато більший, ніж ми бачимо на зображенні EHT, на додаток до джерела струменя.
«Оригінальне EHT-зображення показало лише частину акреційного диска, що оточує центр чорної діри. Змінивши довжину хвилі спостереження з 1,3 міліметра до 3,5 міліметра, ми можемо побачити більше акреційного диска, а тепер і струмінь, одночасно. часу”, – каже астроном Тоні Мінтер з Національної радіоастрономічної обсерваторії. «Це показало, що кільце навколо чорної діри на 50 відсотків більше, ніж ми вважали раніше».
Нове зображення також показало нову інформацію про те, як струмінь запускається з області космосу навколо чорної діри, підтверджуючи, що лінії магнітного поля дійсно відіграють вирішальну роль у викиданні матеріалу для запуску у вигляді струменів.
Але вони діють не поодинці. Від самого диска виходить потужний вітер, що живиться тиском випромінювання. Цей вітер, як видно на зображенні, сприяє створенню струменя M87.
Це досить значний прорив у науці про чорні діри, але дослідники ще не закінчили. У всьому діапазоні радіочастот є ще багато чого побачити, і M87* довів, що може це зробити.
«Ми плануємо спостерігати область навколо чорної діри в центрі M87 на різних довжинах радіохвиль, щоб далі вивчати випромінювання струменя», — говорить астроном Едуардо Рос з Інституту радіоастрономії Макса Планка в Німеччині. «Найближчі роки будуть захоплюючими, оскільки ми зможемо більше дізнатися про те, що відбувається поблизу однієї з найзагадковіших областей у Всесвіті».
Дослідження опубліковано в Nature.
