Нові зображення демонструють вражаючі властивості чорної діри в центрі M87

У 2019 році вчені, що працюють з Телескопом подій (EHT), представили перше зображення чорної діри. Після багаторічних спостережень з обсерваторій по всьому світу світ отримав можливість побачити надмасивну чорну діру (SMBH) в центрі галактики M87, яка є надгігантською еліптичною галактикою, розташованою приблизно за 53,5 мільйона світлових років від Землі в сузір'ї Діви. З тих пір подальші спостереження надали додаткові деталі та уявлення про екстремальну фізику чорних дір.

Нещодавно міжнародна команда, очолювана дослідниками з Шанхайської астрономічної обсерваторії (SAO), провела перше просторово розділене дослідження спектрів з подвійною частотою чорної діри M87. Об'єднавши зображення горизонту з кількох обсерваторій, вони створили першу просторово розділену карту, яка показує, як спектральний підпис чорної діри M87 змінюється з відстанню. Ця робота виходить за межі простого зображення структури плазми за горизонтом подій і пропонує новий метод для характеристики екстремальної фізики та умов, що існують поблизу чорної діри.

Астрономи з SAO були підтримані дослідниками з Ключової лабораторії радіоастрономії та технологій Китайської академії наук, Центру обчислювальних наук університету Цукуба (Японія), Інституту радіоастрономії INAF, Андалузького інституту астрофізики CSIS та Інституту радіоастрономії Макса Планка (MPIR). Результати їхньої роботи були опубліковані в статті, що вийшла вчора (20 липня) в The Astrophysical Journal Letters.

Обстеження команди базувалося на спостереженнях, отриманих у 2018 році за допомогою EHT та Глобальної міліметрової VLBI-мережі (GMVA). Об'єднавши зображення горизонту в діапазоні надвисоких частот (EHF) радіохвиль та на високочастотному краю мікрохвиль (1,3 і 3,5 мм), дослідники виявили, що спектральний індекс, який отримали, показує, що властивості випромінювання навколо чорної діри змінюються з відстанню до неї. Наприклад, у найближчій до чорної діри області спектральний індекс є позитивним і трохи збільшується залежно від радіусу.

Це свідчить про те, що випромінювання в цій області значно підлягає синхротронному самоабсорбуванню — процесу, при якому електрони, що рухаються через магнітне поле майже зі швидкістю світла, повторно поглинають фотони, які вони раніше випромінювали. Далі, спектральний індекс зменшується і стає негативним, що вказує на перехід до режиму, в якому фотони, що випромінюються, вільно втікають, не підлягаючи поглинанню, розсіянню або повторному випромінюванню. Цей перехід відбувається на відстані приблизно 30 мікроаркуссекунд (μas) від чорної діри, що узгоджується з кільцевою структурою, спостережуваною за допомогою GMVA.

Це свідчить про те, що кільцева структура, виявлена EHT у 2019 році, тісно пов'язана з фізичним станом плазми поблизу горизонту подій, а не є лише морфологічною рисою. Таким чином, ці спостереження надали новий засіб для характеристики екстремальних фізичних умов навколо чорних дір, що виходить за межі простого зображення структури. Дослідження стало можливим завдяки досягненням у міліметровій дуже довгій базовій інтерферометрії (VLBI), які дозволили проводити зображувальні дослідження на кількох частотах.

Доктор Шан-Шан Чжао, асистент дослідника в SAO при Китайській академії наук (CAS) та перший автор статті, зазначила:

Отримавши перший просторово розділений розподіл спектрального індексу чорної діри M87, ми можемо кількісно охарактеризувати, як змінюються властивості випромінювання в регіоні навколо чорної діри. Це дозволяє нам безпосередньо досліджувати, як властивості плазми варіюються на горизонтах і надає нові підказки для розуміння акреційних потоків і формування джетів.

Анатомія чорної діри, з акцентом на акреційний диск, горизонт подій та інші області. Кредит: NASA

Завдяки подальшим досягненням у міліметровій VLBI астрономи зможуть спостерігати чорні діри на більшій кількості частот, з вищою чутливістю та з покращеними можливостями зображення з часом. Це надасть ще більше інформації про явища, що варіюються від акреції чорних дір і формування джетів до процесів випромінювання в сильних гравітаційних полях. Такі дослідження ще більше покращать наше розуміння екстремальних плазмових середовищ навколо чорних дір. Доктор Ру-Сен Лу, відповідний автор та колега дослідника SAO, сказав:

Багаточастотне зображення горизонту стане потужним інструментом для діагностики фізичних умов плазми поблизу чорних дір. Завдяки покращеним спостережувальним можливостям, багаточастотні спостереження допоможуть розділити впливи плазмової фізики від гравітаційних підписів у зображеннях чорних дір, що дозволить точніше досліджувати акрецію чорних дір, формування джетів і гравітацію в сильному полі.