Изображение центральной черной дыры М87, обрамленной аморфным светящимся кольцом, попало в топы практически всех новостных агентств в апреле 2019 года. Как нельзя лучше в качестве первого объекта наблюдений подошла сверхмассивная черная дыра галактики M87 в созвездии Девы. Однако наиболее интригующей целью проекта «Event Horizon Telescope», старт которому был дан в 2012 году, являлось получение снимка центральной сверхмассивной черной дыры Млечного Пути. Ученые, изучающие сверхмассивную черную дыру в центре галактики M87, раскрыли происхождение мощного джета монстра и впервые сфотографировали джет и его источник вместе. Астрофизики провели исследование черной дыры, расположенной в галактике М87 в созвездии Девы. Им удалось изучить структуру ее струй.
Получено новое изображение черной дыры M87*
Как и черная дыра, обнаруженная внутри М87, Sgr A* изгибает весь свет вокруг себя. Поймать блуждающую черную дыру в обычный телескоп невозможно — она не. Известно, что черная дыра M87 имеет аккреционный диск, подающий в нее вещество, и джет, выбрасывающий вещество со скоростями, близкими к скорости света. Знаменитое изображение сверхмассивной черной дыры в центре M87 впервые официально преобразилось с помощью машинного обучения.
Астрофизики МГУ определили массу чёрной дыры в центре галактики М87
| Черная дыра массой 800 Солнц может находиться совсем недалеко от Земли | Черные дыры звездной массы — с массой от нескольких десятых до нескольких десятков Солнц — встречаются чаще всего. |
| Первое изображение сверхмассивной черной дыры в галактике M87 | Новости астрофизики: Команда астрофизиков, возглавляемая Колумбийским университетом, обнаружила дюжину черных дыр, сосредоточенных вокруг Стрельца A * (Sgr A. Граница, разделяющая черную дыру и внешнее пространство, называется горизонтом событий. |
Первое изображение сверхмассивной черной дыры в галактике M87
Вещество, падая на чёрную дыру, делает ядро галактики активным источником излучения во всём электромагнитном спектре. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии. Часть окружающего падающего вещества выбрасывается из чёрной дыры и порождает джет, в котором вещество движется почти со скоростью света. Джет простирается далеко за пределы галактики, на 4 900 световых лет. За счёт высокой яркости и близости релятивистский джет впервые был открыт именно в М87 ещё в 1918 году.
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.
Рассмотреть линии магнитного поля исходящего из черной дыры, астрономы смогли после использования аналогов поляризованных солнцезащитных очков. В результате была измерена напряженность магнитного поля в непосредственной близости от черной дыры, определены параметры плазмы и создана карта силового поля. Плотность плазмы на границе черной дыры составляет 104-7частиц в кубическом см. Наблюдения показали, что магнитные поля на окраине черной дыры достаточно сильны и способны отталкивать горячий газ, не позволяя ему быть поглощенным гравитационным притяжением. Та часть газа, которой удается проскользнуть через «магнитное заграждение» и формирует спиральный поток, устремляющийся к горизонту событий. Для наблюдений галактики M87 проект Event Horizon Telescope объединил в одно целое восемь телескопов, расположенных по всему миру, что позволило создать виртуальный телескоп величиной с Землю. Изучение галактики M87 теперь возможно в разрешении, аналогичном разрешению при котором с Земли можно получить размеры кредитной карты лежащей на поверхности Луны.
Естественно, все это проводилось не вручную, а на суперкомпьютерах, которые обрабатывали несметное количество данных. Но даже у них на это ушли многие месяцы, чтобы получить эту фотографию. Исследователи из проекта Event Horizon Telescope ставили перед собой четыре основные научные задачи. Первое было простым: сфотографировать черную дыру. Проверяйте, как у них это получилось. Другие три были более сложными. Исследователи также хотели больше узнать о том, как растут черные дыры и что происходит с материалом, вращающимся вокруг них, со временем. Исследователи надеются, что ответ на этот вопрос может также объяснить, почему материал, окружающий Стрельца А черная дыра в центре нашей собственной галактики необычно тусклый для материала, окружающего сверхмассивную черную дыру. Наконец, исследователи жаждали шанса проверить работу Эйнштейна. Общей Теории Относительности этого известного ученого уже более 100 лет, и она действительно хорошо сохранилась за прошедшее столетие. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн задолго до того, как человечество изобрело средства для их обнаружения, и его теория также предсказала, что силуэт или «тень» черной дыры будет выглядеть круглой.
В честь маленькой, но очень важной для науки годовщины этого события мы собрали интересные факты о черных дырах, которые удивят даже тех, кто далек от изучения космоса. Объекты с интенсивными гравитационными полями из которых свет не может уйти рассматривались еще в XVIII веке. Однако только в 1916 году Карл Шварцшильд дал первое современное решение общей теории относительности, характеризующее черную дыру. Современная астрофизика рассматривает три типа черных дыр во Вселенной: звездные образуются как конечный этап жизни звезды , сверхмассивные образуют ядра большинства галактик и реликтовые маленькие черные дыры, образование которых происходило на ранних стадиях развития Вселенной. Черная дыра может иметь массу, столь же малую, как луна Земли, и огромную, в десять миллиардов раз превышающую массу Солнца. Ее масса пропорциональна размеру горизонта событий, который измеряется как радиус Шварцшильда.
Телескопы впервые сделали совместный снимок сверхмассивной черной дыры M87 и массивного джета
По словам исследователей, это самый ранний известный пример галактики, в которой перестали формироваться звезды. Сверхмассивные черные дыры могут остановить звездообразование, потому что их рост высвобождает огромное количество высокоэнергетического излучения, которое может нагревать галактики и вытеснять газ из них. Галактикам нужны огромные облака газа и пыли, чтобы коллапсировать под действием собственной гравитации, создавая тем самым новые звезды, пишет The Guardian. Более подробная информация опубликована в научном журнале Nature.
Поэтому Нобелевский комитет и сформулировал так осторожно: «определение массы компактного объекта». Потому что формально наличие черной дыры в центре Млечного Пути не доказано». Над окончательным решением вопроса о черной дыре в центре галактики сейчас и трудится команда Event Horizon Telescope EHT , это глобальная сеть радиотелескопов, разбросанных по всей Земле.
В апреле 2019 г. EHT опубликовала первое в истории изображение черной дыры в центре М 87. Ее тень окружала фотонная сфера. Уже за получение их изображений». Что же до теории, то природу черных дыр обосновал своими работами именно математик Роджер Пенроуз. И он показал, что эти сингулярности должны быть покрыты горизонтами событий.
Пенроуз таким образом сформулировал принцип «космической цензуры»: если у вас образуется сингулярность, то вокруг нее образуется и некоторая поверхность, которая не позволяет вам заглянуть за нее и увидеть саму эту сингулярность.
Исследовательская группа Китайской академии наук и ведущий автор новой статьи. Эдуардо Рос, астроном и научный координатор интерферометрии со сверхдлинной базой VLBI в Институте радиоастрономии им. Макса Планка, добавил: «Мы видели кольцо раньше, но теперь мы видим струю. Если вы думаете об этом как об огнедышащем монстре, раньше мы могли видеть дракона и огонь, но теперь мы можем видеть дракона, дышащего огнем ». Использование множества различных телескопов и инструментов дало команде более полное представление о структуре сверхмассивной черной дыры и ее струи, чем это было возможно ранее с помощью EHT, и для создания полной картины требовались все телескопы.
Таким образом можно сказать, что этот гигант работает как маяк для наблюдателей Вселенной. Event Horizon Telescope, как вы уже знаете, не совсем телескоп. Это целый проект, в котором задействованы целых 8 мощнейших телескопов и другого оборудования, а также сотни ученых по всему миру. Все наблюдения они провели всего за неделю еще два года назад. Восемь телескопов вместе собирали огромные объемы данных, чтобы в итоге собрать эту фотографию. Почему так? Потому что ни один телескоп в мире не смог бы сделать эту фотографию самостоятельно. Чтобы разглядеть такое, даже очень массивное событие, за 53 миллиона световых лет, понадобился бы телескоп размером с нашу планету. Наблюдения заняли лишь неделю, а, чтобы разобраться в этом неимоверном количестве информации, собрать настоящую фотографию черной дыры, ушло все остальное время с апреля 2017-го. Естественно, все это проводилось не вручную, а на суперкомпьютерах, которые обрабатывали несметное количество данных. Но даже у них на это ушли многие месяцы, чтобы получить эту фотографию.
Раскрыт сенсационный секрет черной дыры M87*
Галактика M87 удалена от нашей планеты примерно на 50 млн световых лет в кластере, куда входит около тысячи галактик. По данным, полученным с различных телескопов, M87 буквально переполнена горячим газом и имеет значительный фон излучения в рентгеновском диапазоне. По данным с телескопа Chandra, остывая, газ движется к центру галактики, где попадает в область притяжения черной дыры.
По оценкам астрономов, в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр, масса которых примерно в три раза превышает массу Солнца. А недавно ученые получили первое изображение тени черной дыры в центре нашей галактики. В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры излучают небольшое количество фотонных частиц, что заставляет их постепенно терять массу и исчезать со временем. Этот процесс испарения называется «излучение Хокинга».
Черные дыры не всасывают объекты: этот процесс запускается только в случае втягивания чего-либо в вакуум. Вместо этого объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что обладает гравитацией, например, на Землю.
Строго говоря, саму черную дыру невозможно увидеть, однако ее тень хорошо различима на фоне поглощаемого черной дырой вещества. Еще не так давно, в 2013 году, говоря о свойствах черных дыр, ученые предпочитали использовать сослагательное наклонение: «По разным оценкам, кандидатов в черные дыры существует несколько десятков… И почти все такие кандидаты в черные дыры 20—30 обнаружены в нашей Галактике. Массы компактных объектов могут быть от трех до 12 солнечных масс и даже более». В 2019 году астрофизики смогли впервые сфотографировать черную дыру в центре галактики М87. Но один раз — не факт. Факт — объективное и повторяющееся событие или феномен. И вот — снимок черной дыры, вернее горизонта событий вокруг нее, буквально у нас под боком, в центре Млечного Пути.
И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра. Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска.
С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они. Визуализация черной дыры Фото: NASA Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.
Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры. Визуализация черной дыры рядом со звездой Фото: NASA В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры.
Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр. Визуализация квазара Фото: NASA Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом.
Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью.
Первый снимок чёрной дыры в центре нашей Галактики
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. Ученые назвали черную дыру в центре галактики М87 «Поэхи» (Powehi), сообщает CNN. Новые наблюдения галактики M87 показывают, как вокруг чудовищной черной дыры формируется мощный джет. Астрофизики провели исследование черной дыры, расположенной в галактике М87 в созвездии Девы. Им удалось изучить структуру ее струй. Наблюдаемый от черной дыры M87* свет был поляризован местами на 30%, что означает достаточно сильное и структурированное магнитное поле (рис. 6). Искусственный интеллект доработал знаменитое фото сверхмассивной черной дыры в центре галактики Messier 87 (M 87). На изображении, опубликованном четыре года.
Самая тяжелая черная дыра живет на заднем дворе Млечного Пути
| Посмотрите на сверхмассивную черную дыру в центре Млечного пути | Астрономы впервые получили прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87 и ее тени. |
| Опубликован первый в истории снимок черной дыры | Как светят те остатки несчастных звёздочек, коих затянуло в чёрную дыру, что расположена в центре эллиптической галактики M87. |
| Учёные опубликовали первый снимок чёрной дыры в центре нашей галактики | 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*. |
| Учёные опубликовали первый снимок чёрной дыры в центре нашей галактики | Сравнение фотографии M87, первой черной дыры, когда-либо сфотографированной, и Стрелец A*, по сравнению с размерами Солнечной системы. |
Первая настоящая фотография сверхмассивной черной дыры
Изображение черной дыры в центре галактики M87 в поляризованном свете. Источник: EHT Collaboration Более 20 лет сеть радиотелескопов наблюдала за черной дырой, расположенной в самом центре галактики Messier 87 M87 , находящейся на расстоянии около 55 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы. Наибольший интерес ученых вызвала мощная струя излучения, исходившая из полюсов черной дыры. 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.
Знаменитое изображение сверхмассивной черной дыры в центре M87 впервые официально преобразилось с помощью машинного обучения.
На новом изображении также видна центральная область, которая больше и темнее, окруженная ярким аккрецирующим кольцом газа. Ученые использовали данные, полученные коллаборацией Event Horizon Telescope EHT в 2017 году, и впервые добилась полного разрешения массива. В 2017 году коллаборация EHT использовала сеть из семи телескопов по всему миру для сбора данных о M87, создав «телескоп размером с Землю». Однако, поскольку невозможно охватить телескопами всю поверхность Земли, в данных возникают пробелы, как недостающие части головоломки. Ширина кольца на изображении теперь меньше примерно в два раза, что будет сильным ограничением для наших теоретических моделей и тестов гравитации». PRIMO, что означает интерферометрическое моделирование с главными компонентами principal-component interferometric modeling , было разработано членами коллаборации EHT.
PRIMO опирается на dictionary learning, ветвь машинного обучения, которая позволяет компьютерам генерировать правила на основе больших наборов обучающих материалов.
Поэтому получилось так, что радиоастрономы получили множество кусочков мозаики, но все они относились к разным картинкам, потому что пока они получали эти фрагменты, изображение менялось. Чтобы собрать из них единое изображение потребовалось пять лет. Они нашли четыре кластера моделей, четыре типа изображений, которые согласовывались лучше всего», — говорит Ковалев. Итоговое изображение и четыре усредненных изображения из четырех кластеров. Столбчатые диаграммы показывают вклад каждого из кластеров в конечную картину ФОТО: ESA Из этих четырех кластеров было построено финальное изображение.
Ученые могли бы получать качественные изображения каждые 10 минут и за одну наблюдательную сессию сделать целый фильм о том, как живет и меняется черная дыра. Но в EHT в 2017 году было всего восемь телескопов, и для построения качественного изображения пришлось использовать вращение Земли. Благодаря ему проекция базы каждой пары телескопов меняется со временем, поэтому количество измеренных за одно наблюдение различных угловых масштабов достаточно для простого построения изображения при условии, что это изображение не меняется. В будущих наблюдениях, увеличив число телескопов в составе EHT, можно будет действительно сделать видео поведения вещества вокруг черной дыры. Это позволит не только уточнить параметры самой черной дыры, но и лучше понять физику аккрецирующей плазмы. В чем сюрприз Как и в случае M87, изображение центра нашей Галактики выглядит как яркое кольцо с темной зоной в середине.
Сами черные дыры не излучают, но вещество, которое падает на них, разогревается и ярко светится. При этом гравитация черной дыры, как линза, фокусирует излучение окружающего газа, только не за счет разницы в показателях преломления, а за счет гравитационного искривления траекторий фотонов. Кроме того, мы видим фотоны, которые черная дыра не захватила, но на направление движения которых она повлияла — в большей или меньшей степени. Там есть фотоны, которые сделали оборот, два оборота вокруг черной дыры». Фотоны, которые обернулись один или два раза вокруг черной дыры, выглядят для нас как тонкое светящееся фотонное кольцо. Его предсказывал Давид Гильберт еще в 1916 году, сразу после опубликования Общей теории относительности Эйнштейна.
И все это размыто неидеальным угловым разрешением телескопа», — говорит Ковалев. А вот темное пятно в центре — это как то, что мы не видим. Все фотоны из этой области так и не смогли избежать свидания с чёрной дырой и провалились под горизонт событий. Сходство изображений из М87 и из центра нашей Галактики, вообще, — большой сюрприз.
Они разработали новые инструменты для получения изображений и использовали сочетание суперкомпьютерных мощностей для анализа и объединения данных и моделирования черных дыр, чтобы сравнить полученные результаты. Работа над проектом заняла пять лет, включая 100 миллионов часов работы на суперкомпьютере в Национальном научном фонде США.
Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары
Ученые, наблюдающие за компактным радиоядром M87, узнали больше о природе сверхмассивной черной дыры (СМЧД) этой галактики. Фотография плотного темного ядра черной дыры М87*, обрамленного аморфным светящимся кольцом, попала в заголовки международных СМИ. Черную дыру в центре галактики М87 удалось снять с высоким качеством потому, что эта дыра очень активно «глотает» вещество и перед приемом «пищи» сильно ее нагревает (трением частиц поглощаемого вещества друг о друга). По данным, полученным от орбитального рентгеновского телескопа НАСА Chandra, внутри M87 находится сверхмассивная черная дыра, обладающая феноменальной активностью. Наиболее масштабные черные дыры массой 2,5 млрд, 5,7 млрд и 66 млрд солнечных масс находятся соответственно в галактиках Лебедь А, M87 и TON-618.