Две «сфотографированные» на сегодня чёрные дыры, то есть M87* и Sgr A*, выглядят похоже, но M87* — объект с массой, в 1500 раз превышающей массу «нашей» чёрной дыры.
Дыра на месте
Черная дыра, получившая название M87, является наиболее изученной черной дырой на сегодняшний день и первой, изображение которой было непосредственно получено в 2019 году. Ее тень в форме «бублика» увенчана нечетким ореолом света. О сервисе Прессе Авторские права Связаться с нами Авторам Рекламодателям Разработчикам. Черные дыры производят звук. Когда черная дыра втягивает что-то, ее горизонт событий заряжает частицу близко к скорости света, производя звук. Масса черной дыры в галактике М87 оценивается в 6,5 млрд масс Солнца, а ее диаметр.
Сверхмассивные чёрные дыры
По данным , трансляция проходила во многих странах мира из-за важности для всего научного мира. На полученных с помощью восьми обсерваторий в разных точках планеты снимках можно увидеть невероятно яркое кольцо огня гало , которое сформировано нагретым газом, засасываемым гравитацией черной дыры. Данное газовое свечение более яркое, чем сияние миллионов звезд во всей галактике, а потому его можно увидеть и сфотографировать даже с Земли. Отмечается, что размеры данной черной дыры M87 поистине колоссальны, а расположена она на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли в галактике Messier 87 в Скоплении Девы в Местном сверхскоплении галактик. При этом, масса черной дыры примерно оценивается как величина, превышающая массу Солнца в 6,5 миллиардов раз.
Белые стрелки указывают соответствующее направление джета. Нижняя панель: изменение направления джета за все время наблюдений с 2000 по 2022 год. Красная линия представляет наилучшую подгонку моделью прецессирующей струи с периодом 11 лет. Источник: Nature Чтобы точно проследить долговременную морфологическую эволюцию джета вблизи сверхмассивной чёрной дыры в М87, учёные проанализировали 170 интерферометрических изображений, полученных в 2000—2022 году на частотах 22—24 и 43 ГГц. Именно эти снимки показали, что, помимо известной постоянной морфологии струи с уярчением к краям, за эти годы можно увидеть изменение позиционного угла направления струи. Для описания наблюдаемой эволюции направления джета авторы работы использовали модель, в которой ось вращения аккреционного диска немного наклонена к оси вращения чёрной дыры Рисунок 2. Вращение массивной чёрной дыры влияет на окружающее пространство-время, приводя к прецессии аккреционного диска, которая распространяется и на джет из-за тесной связи между ним и аккреционным диском. Рисунок 2. Схематическое изображение модели наклонного аккреционного диска. Ось вращения чёрной дыры направлена вертикально, направление джета почти перпендикулярно диску. Несоосность между осью вращения чёрной дыры и осью вращения диска приводит к прецессии диска и джета. Источник: Yuzhu Cui et al. Эффект Лензе — Тирринга очень мал —- примерно одна часть из нескольких триллионов.
Астрофизики уже давно предсказывали, что черные дыры вращаются, но проблема визуализации космических чудовищ до сих пор затрудняла поиск доказательств. Эта чудовищная черная дыра действительно вращается». Черные дыры обладают настолько мощным гравитационным притяжением, что ничто даже свет не может покинуть их пасть, но это не значит, что их нельзя увидеть. Это связано с тем, что активные черные дыры окружены аккреционными дисками — огромными шлейфами материала, извлеченного из газовых облаков и звезд, нагретыми до раскаленных температур в результате трения по спирали в устьях черных дыр. Как струи черных дыр приобретают огромную энергию, необходимую для этого, остается загадкой, но физики использовали общую теорию относительности Эйнштейна, чтобы предположить, что материал мог бы получить ее из магнитных полей космических монстров, если бы они быстро вращались вокруг своих осей. Черные дыры, вероятно, приобрели часть своего вращения с первых дней своего существования в качестве звезд, которые, когда они внезапно схлопнулись внутрь, стали подобны фигуристам, которые тянут руки, чтобы вращаться быстрее.
С 2020 года я вхожу в коллаборацию EHT. Вообще, мой основной интерес — джеты, узкие пучки электронов, разгоняемые черными дырами до 0,999 скорости света тут я о них больше рассказываю. Особенно яркие джеты, направленные на нас, видны на огромных расстояниях и служат маяками для построения системы координат. Ваш телефон уже не раз определял по ним свое местоположение на поверхности Земли. И если мы, например, хотим сделать геолокацию еще более филигранной, нужно понять физику релятивистских джетов. А для этого — разобраться, как же черные дыры их запускают. Его угловое разрешение зависит не от размера отдельных телескопов, а от расстояния между ними. Система «видит» не изображение источников на небе, а их пространственный спектр. Каждая пара соседних телескопов определяет на небе крупные детали, а пара наиболее отдаленных — самые мелкие. Наложение этих наблюдений дает изображение. Чем больше телескопов в интерферометре, тем более качественная картинка. В 2017 году ЕНТ состоял из восьми телескопов, в 2018 — из девяти, с 2022 года — из одиннадцати. Через десять лет планируется удвоить количество телескопов. Что показало самое первое изображение? Первый снимок черной дыры в галактике М87 позволил измерить видимый диаметр ее кольца — 42 микросекунд дуги. Такое кольцо может быть создано черной дырой с массой 6,5 миллиардов масс Солнца — как раз такая масса там и находится, судя по динамике звезд и газа. Эти значения не зависят от математических моделей черной дыры и аккрецирующего вещества, поэтому должны сохраняться от наблюдения к наблюдению их можно записать в учебники. Мы знаем, как должна работать аккреция. На суперкомпьютере мы смоделировали 60 тысяч черных дыр с разными параметрами и веществом, которое на них падает. Большинство из них оказались совсем непохожими на действительное — значит в них спин, магнитное поле или какие-то другие параметры неправильные. А вот те изображения, которые напоминали реальное, определили диапазон физических параметров черной дыры и окружающего вещества. Оказалось, что более яркая нижняя половина кольца объясняется допплеровским усилением излучения из-за вращения вещества вокруг черной дыры: сама она быстро вращается, а вещество вокруг нее сильно замагничено. Это первое наблюдение черной дыры позволило опровергнуть некоторые теории гравитации. Например, в центре М87 точно находится не кротовая нора и не голая сингулярность. Так что общая теория относительности пока выдерживает проверку. Зачем продолжили наблюдать и обрабатывать данные? Во-первых, научные результаты обязательно нужно перепроверять. Недавно ученые «открыли» высокотемпературный сверхпроводник.
Чем так примечательна галактика Мессье 87 и что о ней нужно знать?
С тех пор ученые не оставляли наблюдений за этой черной дырой и используя все более новые алгоритмы программ обработки и моделирования данных пытались получить как можно более четкое изображение М87. Эдуардо Рос, астроном и научный координатор интерферометрии со сверхдлинной базой РСДБ в Институте радиоастрономии им. Макса Планка, добавил: «Мы видели кольцо раньше, но теперь видим и джет. И он больше, чем мы думали». Наблюдения за М87 не прекращаются и производились один раз в год в период с 2021 по 2023 год, но анализ полученных в этот период данных еще не завершен.
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. Фотография сверхмассивной черной дыры в галактике Messier 87. В 2017 году EHT достиг зрелости с телескопами, расположенными в пяти различных местах по всему миру. Но эти результаты были основаны только на наблюдениях, проведенных в течение недели в апреле 2017 года, что слишком мало для оценки изменений.
Через сто с лишним лет, в 2019 году, телескоп «Горизонт событий» обнаружил центральный радиоисточник и асимметричную кольцевую структуру, соответствующую ожиданиям общей теории относительности в присутствии сверхмассивной чёрной дыры. Однако её вращение, имеющее решающее значение при формировании и эволюции джетов и галактики, непосредственно не наблюдалось. Изменение позиционного угла направления струи джета учёные отметили ещё с самых первых наблюдений в радиодиапазоне с высоким угловым разрешением в 2000 году. Однако не было ясности в происхождении таких структурных изменений. На это могут оказывать влияние проявления активности чёрной дыры и вброса в джет вещества или развитие плазменных неустойчивостей. Рисунок 1. Верхняя панель: структура джета в M87 на частоте 43 ГГц при двухгодичном усреднении данных наблюдений. Белые стрелки указывают соответствующее направление джета. Нижняя панель: изменение направления джета за все время наблюдений с 2000 по 2022 год. Красная линия представляет наилучшую подгонку моделью прецессирующей струи с периодом 11 лет. Источник: Nature Чтобы точно проследить долговременную морфологическую эволюцию джета вблизи сверхмассивной чёрной дыры в М87, учёные проанализировали 170 интерферометрических изображений, полученных в 2000—2022 году на частотах 22—24 и 43 ГГц. Именно эти снимки показали, что, помимо известной постоянной морфологии струи с уярчением к краям, за эти годы можно увидеть изменение позиционного угла направления струи. Для описания наблюдаемой эволюции направления джета авторы работы использовали модель, в которой ось вращения аккреционного диска немного наклонена к оси вращения чёрной дыры Рисунок 2.
Они наблюдали, как массивный джет поднимается из центра черной дыры. Он родился из энергии, создаваемой магнитными полями, окружающими вращающееся ядро СМЧД, и ветрами, поднимающимися от ее аккреционного диска. Это первый случай, когда ученые сфотографировали джет и его источник вместе. Для наблюдений ученые использовали сразу несколько обсерваторий.
Посмотрите на сверхмассивную черную дыру в центре Млечного пути
Черная дыра — это гораздо больше, чем то, что мы видим на увеличенном изображении тени и ореола M87* наверху. Сверхмассивная черная дыра активна, поглощает материал из горячего диска пыли и газа вокруг себя. По словам участников проекта, получить фотографию черной дыры в Млечном Пути было намного сложнее, чем в галактике Messier 87, поскольку газ, вращающийся вокруг нее, совершает полный оборот всего за пару минут. На пресс-конференции Европейской Южной обсерватории были представлены результаты проекта EHT (Event Horizon Telescope) — первое изображение сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики М87. Две «сфотографированные» на сегодня чёрные дыры, то есть M87* и Sgr A*, выглядят похоже, но M87* — объект с массой, в 1500 раз превышающей массу «нашей» чёрной дыры. Соответствующая работа заняла около пяти лет, а полученный портрет Sgr A*, как отмечает сопредседатель научного совета ЕНТ Сера Маркофф, удивил ученых тем, что показал много сходства между двумя черными дырами — М87* и Sgr A*. Гигантская галактика М87 в созвездии Девы, находящаяся на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли, привлекает астрофизиков относительной близостью и сверхмассивной черной дырой в ее центре, которая в 6,5 миллиардов раз массивнее Солнца.
Опубликован первый в истории снимок черной дыры
Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием. Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи. Визуализация черной дыры Фото: NASA Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.
Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг. То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.
Первая фотография черной дыры Фото: NASA По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп.
Команда из Эдинбургского университета использовала космический телескоп Джеймса Уэбба JWST для наблюдения за галактикой и выявления новых подробностей о ее составе и истории. Галактика GS-9209, напоминает The Guardian, была открыта в 2004 году Кариной Капути, бывшей аспиранткой Эдинбургского университета, которая в настоящее время является профессором наблюдательной космологии в Университете Гронингена в Нидерландах.
Хотя в GS-9209 примерно столько же звезд, сколько в нашей родной галактике, с общей массой, равной 40 миллиардам солнц, она составляет лишь одну десятую размера Млечного Пути. По словам исследователей, это самый ранний известный пример галактики, в которой перестали формироваться звезды.
Согласно новым данным, эта релятивистская струя кажется колеблющейся, словно маятник, и имеет стабильный 11-летний цикл. Ученые утверждают, что это следствие гравитационного взаимодействия между вращающейся черной дырой, которая, как считают, массивнее Солнца в 6,5 миллиарда раз, и аккреционным диском материала, окружающего ее, предоставляя неоспоримые доказательства ее вращения. Согласно новому исследованию, струя меняет свое направление примерно на 10 градусов каждые 11 лет. Результаты этого исследования согласуются с теоретическими моделями, разработанными на суперкомпьютерах, и помогают лучше понимать, как формируются и эволюционируют черные дыры, превращаясь в самые ужасные объекты во Вселенной. Черные дыры и предсказания Эйнштейна В 2019 году астрономы заметили джеты, которые выходили из черной дыры ближе к нам, на расстоянии примерно 8000 световых лет от Земли. Эти струи колебались всего лишь несколько минут, и это было самыми быстрыми колебаниями такого рода, которое наблюдали астрономы.
Это приводит к тому, что струи черной дыры мелко колеблются, и именно это было измерено в новом исследовании. Непонятные процессы черных дыр Конкретные процессы, которые вызывают вращение черных дыр пока неизвестны ученым. Главная теория указывает на то, что меньшие черные дыры формируются, поглощая звездный материал через аккреционный диск, и это заставляет их вращаться очень быстро. В течение миллионов лет они сталкиваются и, в конце концов, объединяются, становясь чрезвычайно сверхмассивными черными дырами. Чтобы подтвердить эту гипотезу, исследователям нужно исследовать скорость вращения черных дыр разных размеров. Ранее мы сообщали о том, как астрономы усомнились в правдивости первого фото черной дыры.
Там что-то движется: Учёные сравнили два снимка чёрной дыры и заметили странный объект
В отличие от М87, вокруг Стрельца А* газ вращается на околосветовых скоростях, что приводит к разнице между любыми двумя фото тени черной дыры. Сверхмассивная черная дыра находится в самом сердце далекой галактики M87, где она медленно питается космической пылью, газом и другим звездным материалом. Эта черная дыра называется Мессье 87 или Дева А, она находится на расстоянии около 53 миллионов световых лет от Земли. Масса Мессье 87 превышает массу Солнца в шесть с половиной миллиардов раз. Соответствующая работа заняла около пяти лет, а полученный портрет Sgr A*, как отмечает сопредседатель научного совета ЕНТ Сера Маркофф, удивил ученых тем, что показал много сходства между двумя черными дырами — М87* и Sgr A*. Черные дыры производят звук. Когда черная дыра втягивает что-то, ее горизонт событий заряжает частицу близко к скорости света, производя звук. Сравнение размеров чёрных дыр в галактиках Мессье-87 и Млечный путь. Чтобы получить одно изображение, астрономы собрали около 3,5 петабайта данных с помощью массива радиотелескопов.
Черную дыру M87 и ее массивный джет впервые в истории сфотографировали вместе
Джет — струи плазмы, вырывающиеся из центра черной дыры. У М87 длина джета — около пяти тысяч световых лет. Скорее всего, она вращается. I never would have thought I could tweet those words.
May not look like much but an amazing testament to the power of human ingenuity. Никогда бы не подумал, что смогу твитнуть эти слова. Это может показаться не таким уж серьезным, но это удивительное свидетельство силы человеческой изобретательности» — Лоуренс Краусс, физик, популяризатор науки.
Что дальше?
Но EHT в 2017-м не мог регистрировать такие большие структуры — это раз. Мы нашли ошибки в их алгоритмах — это два. И в конце концов получили такое же кольцо по новым данным. Шах и мат. В-четвертых, в 2018 году чувствительность EHT увеличилась в 1,5 раза благодаря более широкой полосе приема сигнала.
А к наблюдениям подключился телескоп в Гренландии. При небольшом числе телескопов добавление одного увеличивает количество данных на целых 30 процентов. Правда, погода подвела, и поэтому в 2018 году качество данных получилось похожим на 2017-й. В-пятых, в 2017 году согласованное изображение получили тремя разными алгоритмами. А вот данные 2018 года обработали уже восемью, и все уверенно восстановили кольцевую структуру с одинаковым размером и распределением яркости. Напомню, интерферометр измеряет амплитуду и фазу пространственных частот, и для получения изображения еще надо сильно постараться.
Современные астрономические данные — это на 20 процентов наблюдения и на 80 процентов математика. Что получилось? Мы ожидали, что две характеристики изображения останутся неизменными: диаметр кольца и его неоднородная яркость. Это бы согласовалось с общей теорией относительности и подтвердило качество наблюдений и анализа. Так и вышло. Ведь если ОТО работает, то диаметр кольца зависит от расстояния до Земли и массы черной дыры, которую за один год значимо не изменишь.
Расстояние же практически постоянно на таком промежутке времени. Гипотеза подтвердилась: размер кольца в 2018 году, 45 микросекунд, не отличается от предыдущего измерения с учетом погрешности. И яркость нового кольца такая же неоднородная — это связано с вращением вещества вокруг черной дыры: остановить его или существенно замедлить не получится. Но что могло — то поменялось. В частности, самая яркая часть кольца за год переместилась на 30 градусов против часовой стрелки. Излучение вокруг черной дыры, которое и видно на картинке, складывается из тонкого фотонного кольца и более размытого гравитационно-линзированного излучения.
Первое более-менее однородное по яркости, а вот второе отражает реальное движение вещества вокруг черной дыры, поэтому распределение яркости в кольце может меняться со временем. Теперь мы смогли увидеть это напрямую, хотя указания на такие перемещения были и в более ранних данных, до EHT. Что еще можно увидеть в интерферометр? А значит, мы можем рассмотреть линейную и круговую поляризацию излучения. Линейная поляризация скажет, какова конфигурация и напряженность магнитного поля в аккреционном диске, а круговая поможет различить фотонное кольцо на фоне остального излучения.
В четверг астрофизики из проекта Event Horizon Telescope впервые продемонстрировали изображение черной дыры в галактике M87 в созвездии Девы. Снимок сделали с помощью сети из восьми длинноволновых радиотелескопов в разных точках планеты, в частности, во Франции, Чили, на острове Гавайи, Южном полюсе. Вам нужно знать об этом, потому что до сих пор непосредственных наблюдений черных дыр не проводили из-за их удаленности. Самым известным в массовой культуре стало изображение Гаргантюа в фильме «Интерстеллар» режиссера Кристофера Нолана.
Концепция таких объектов связана с современным взглядом на гравитацию, общей теорией относительности Эйнштейна, и представлением тяготения в ней через искривление пространства-времени.
Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось", - объясняет глава Научного совета EHT Хайно Фальке из университета Рэдбуд в Нидерландах. Именно она и позволила нам измерить гигантскую массу черной дыры в M87. Куда смотрел телескоп Чтобы исследовать окрестности сверхмассивных черных дыр они являются сравнительно маленькими астрономическими объектами в центрах каждой галактики, ученые направили сеть радиотелескопов на черную дыру в центре эллиптической галактики Messier 87 M87 в созвездии Девы, она находится на расстоянии 55 млн световых лет от Земли. По словам Хайно Фальке, ученые решили сосредоточиться на галактике M87, поскольку черная дыра в центре нашей Галактики двигается, а поле зрения телескопа ограниченно. Как отмечает сайт Европейской южной обсерватории, благодаря своей огромной массе и относительной близости к Земле черная дыра в центре галактики M87 является для земного наблюдателя одной из крупнейших по своим угловым размерам, что и сделало ее идеальной мишенью для EHT. Непрерывные наблюдения за черной дырой продолжались в течение 10 суток в апреле 2017 года. При этом астрофизикам сопутствовала удача: во всех точках Земли, где стоят телескопы, была ясная погода. Каждый из телескопов собрал по 500 ТБ информации.
Визуализирована структура джета Черной дыры
Сравнение фотографии M87, первой черной дыры, когда-либо сфотографированной, и Стрелец A*, по сравнению с размерами Солнечной системы. Видео «полёта» к чёрной дыре. Сравнение чёрных дыр Стрелец A* и M87*. Астрономы впервые получили прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87 и ее тени.
Первый снимок черной дыры
Первый снимок черной дыры в галактике М87 позволил измерить видимый диаметр ее кольца — 42 микросекунд дуги. Сверхмассивная черная дыра находится в самом сердце далекой галактики M87, где она медленно питается космической пылью, газом и другим звездным материалом. Астрономы получили новое изображение центральной сверхмассивной черной дыры M87*, которая находится в центре галактики Мессье 87 (M87) в скоплении галактик Девы на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли. Эта сверхмассивная черная дыра, масса которой в 6,5 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца, находится в центре галактики Мессье 87 (M87) в скоплении галактик Девы, расположенном в 55 миллионах световых лет от Земли.