Астрономы впервые получили изображение черной дыры

Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) — антенная решетка планетарного масштаба из восьми наземных радиотелескопов, объединенных в международную коллаборацию, был создан для получения изображений черных дыр. Сегодня на скоординированных пресс-конференциях, которые проводятся по всему миру, исследователи EHT представляют результаты своей работы: первое прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры и её тени.

Этот революционный результат сегодня был представлен в серии из шести статей, опубликованных в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters. Получено изображение черной дыры в центре Messier 87 [1], массивной галактики в близлежащем скоплении галактик в Деве. Эта черная дыра массой в 6.5 миллиардов солнечных масс находится от нас на расстоянии 55 миллионов световых лет [2].

Решетка EHT объединяет в одно целое радиотелескопы, находящиеся в разных точках Земли, образуя уникальный виртуальный телескоп размером с земной шар [3]. EHT открывает перед учеными новый путь изучения самых необычных объектов Вселенной, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. И происходит это в год столетия исторического эксперимента, который впервые подтвердил эту теорию [4].

«Мы получили первый снимок черной дыры», — сказал руководитель проекта EHT Шепард Дэлимен (Sheperd S.Doeleman) из Гарвардского Смитсонианского астрофизического центра. «Это научное достижение чрезвычайной важности, которое увенчало усилия коллектива более чем из 200 исследователей».

Черные дыры – необычные космические объекты, имеющие гигантские массы и исключительно компактные размеры. Эти объекты оказывают очень сильное влияние на свои окрестности, деформируя пространство-время и нагревая окружающее их вещество до экстремальных температур.

«Когда черная дыра погружена в яркий диск светящегося газа, там должна образоваться темная область, напоминающая тень. Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось», — объясняет глава Научного совета EHT Хейно Фальке (Heino Falcke) из университета Рэдбуд в Нидерландах. «Эта «тень», образующаяся вследствие гравитационного искривления света и его захвата горизонтом событий, многое говорит о природе этих удивительных объектов. Именно она и позволила нам измерить гигантскую массу чёрной дыры в M87».

Применение целого ряда методов калибровки и построения изображений выявило кольцеобразную структуру с темной центральной областью — «тенью» черной дыры — которая воспроизводилась в многочисленных независимых наблюдениях на EHT.

«Когда мы убедились, что действительно получили изображение тени, то сравнили наши результаты с обширной коллекцией компьютерных моделей, отражающих физические особенности искривленного пространства, нагретого до сверхвысоких температур вещества и сильных магнитных полей. Многие свойства полученного изображения неожиданно хорошо соответствуют нашим теоретическим представлениям», — отмечает Пол Хо (Paul T.P. Ho), член Научного Комитета EHT, директор Восточно-Азиатской обсерватории[5]. «Это даёт нам уверенность в правильности интерпретации наших наблюдений, в том числе наших оценок массы черной дыры».

«Несоответствие теории и наблюдений всегда драматический момент для теоретика. Было большим облегчением и поводом для гордости осознать, что на этот раз наблюдения так хорошо соответствуют нашим предсказаниям», — добавляет член Научного Комитета EHT Лучиано Реззолла (Luciano Rezzolla) из университета Гёте в Германии.

Создание EHT было технической задачей величайшей сложности, решение которой потребовало создания и отладки всемирной сети из восьми уже существовавших радиотелескопов, установленных в труднодоступных высокогорных местностях: на вершинах вулканов на Гавайских островах и в Мексике, в горах Аризоны в США и Сьерра Невады в Испании, в чилийской высокогорной пустыне Атакама и в Антарктике.

Наблюдения на EHT основывались на применении методики интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI), которая предполагает синхронизацию всех телескопов всемирной сети и использует вращение нашей планеты для образования единого гигантского глобального телескопа, работающего на волне 1.3 мм. Метод VLBI позволил EHT достичь углового разрешения в 20 микросекунд дуги, что соответствует способности читать нью-йоркскую газету из парижского кафе [6].

Выдающийся результат был получен решеткой, состоящей из следующих телескопов: ALMA, APEX, 30-метровый телескоп IRAM, телескоп Джеймса Клерка Максвелла, Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано, Субмиллиметровая решетка, Субмиллиметровый телескоп и телескоп на Южном полюсе [7]. Петабайты полученных этими телескопами наблюдательных данных были суммированы высокоспециализированными суперкомпьютерами, установленными в Институте радиоастрономии Макса Планка и обсерватории Хэйстек (MIT).

В этой общемировой кооперации важнейшая роль принадлежала европейскому оборудованию и финансированию: использованию современных европейских телескопов и поддержке со стороны Европейского совета по научным исследованиям, в частности, предоставленному им гранту в €14 миллионов проекту BlackHoleCam [8]. Ключевую роль сыграла и поддержка со стороны ESO, IRAM и Общества Макса Планка. «Этот результат базируется на десятилетиях европейских исследований в области астрономии миллиметровых волн», — комментирует Карл Шустер (Karl Schuster), директор IRAM и член Комитета EHT.

Создание EHT и наблюдения, результаты которых демонстрируются сегодня, являются кульминацией продолжавшихся в течение десятилетий наблюдательных, технических и теоретических работ. Это пример глобальной кооперации, которая потребовала тесной совместной работы исследователей всего мира. Чтобы создать EHT из уже существовавших прежде инфраструктур, потребовались объединенные усилия тринадцати институтов-партнеров и поддержка множества агентств. Основное финансирование было обеспечено Национальным фондом научных исследований США (NSF), Европейским советом по научным исследованиям ЕС (ERC) и финансовыми организациями Восточной Азии.

«ESO гордится своим значительным вкладом в полученный результат: этот вклад обусловлен лидирующим положением ESO в европейской науке и тем, что ESO принадлежат два компонента решетки EHT, находящихся в Чили — ALMA и APEX», — говорит Генеральный директор ESO Хавьер Барконс (Xavier Barcons). «ALMA — наиболее чувствительный элемент EHT, и её 66 высокоточных антенн сыграли ключевую роль в достижении успеха EHT».

«Мы достигли результата, который ещё поколение назад считался недостижимым», — заключает Дэлимен. «Объединение прорывных технологий, кооперации крупнейших радиоастрономических обсерваторий мира и новых алгоритмов привело к открытию совершенно нового наблюдательного окна, которое позволяет изучать черные дыры и горизонт событий».

Примечания
[1] Тень чёрной дыры – это наибольшее возможное приближение к изображению самой черной дыры, полностью темного объекта, который не выпускает из себя свет. Граница черной дыры — «горизонт событий» (этому термину EHT и обязан своим названием) примерно в 2.5 раза меньше тени, которую он отбрасывает, и в данном случае составляет в поперечнике немного меньше 40 миллиардов километров.

[2] Сверхмассивные чёрные дыры являются сравнительно маленькими астрономическими объектами, что до сих пор и делало невозможными их прямые наблюдения. Так как размеры горизонта событий черной дыры пропорциональны ее массе, то чем массивнее черная дыра, тем больше ее тень. Благодаря своей огромной массе и относительной близости к Земле черная дыра в центре галактики M87, как это и предсказывалось, является для земного наблюдателя одной из крупнейших по своим угловым размерам, что и сделало её идеальной мишенью для EHT.

[3] Хотя телескопы решетки не связаны друг с другом физически, получаемые ими наблюдательные данные можно точно синхронизировать при помощи атомных часов — водородных мазеров. Во время глобальной наблюдательной кампании 2017 года такие синхронные наблюдения были выполнены на длине волны 1.3 мм. Каждый телескоп EHT в ходе кампании получал громадное количество данных: 350 терабайт в день. Эти данные записывались на высокопроизводительные жесткие диски, наполненные гелием, а затем отсылались на высокоспециализированные суперкомпьютеры — так называемые корреляторы — в Институте радиоастрономии Макса Планка и обсерватории Хэйстек (MIT) для суммирования. Эти данные после сложнейших процедур обработки с использованием новейших вычислительных методов, разработанных участниками коллаборации, преобразовывались в изображения.

[4] 100 лет назад на о.Принсипи неподалеку от Африканского побережья и в Собраль в Бразилии были направлены две экспедиции с целью наблюдений солнечного затмения 1919 года и проверки на основе этих наблюдений общей теории относительности – будет ли свет звезд искривляться вокруг солнечного лимба, как это предсказывал Эйнштейн. Спустя сто лет участники группы EHT отправились на некоторые из установленных на самой большой высоте и изолированных от внешнего мира радиотелескопов, чтобы еще раз протестировать правильность нашего понимания законов гравитации.

[5] Деятельность Восточно-Азиатской обсерватории (EAO), партнера проекта EHT, распространяется на многие регионы Азии, в том числе Китай, Японию, Корею, Тайвань, Вьетнам, Таиланд, Малайзию, Индию и Индонезию.

[6] Будущие наблюдения на EHT будут выполнены с существенно более высокой чувствительностью: к сети присоединятся обсерватория IRAM NOEMA, Гренландский телескоп и телескоп обсерватории Китт Пик.

[7] ALMA – результат партнерства Европейской южной обсерватории (ESO), Национального научно-исследовательского фонда США (NSF) и Национальных институтов естественных наук (NINS) Японии, при участии Национального научно-исследовательского совета (Канада), Министерства науки и техники (MOST) Тайваня, Института астрономии и астрофизики Academia Sinica (ASIAA) Тайваня и Корейского института астрономии и космических исследований (KASI) Республики Корея, в кооперации с Республикой Чили. APEX эксплуатируется ESO, 30-метровый телескоп принадлежит IRAM (партнерами IRAM являются MPG в Германии, CNRS во Франции и IGN в Испании), телескоп Джеймса Клерка Максвелла эксплуатируется EAO, Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано — INAOE и UMass, Субмиллиметровая решетка — SAO и ASIAA, Субмиллиметровый телескоп – Аризонская радиоастрономическая обсерватория (ARO). Телескоп на Южном полюсе принадлежит Чикагскому университету; специализированное оборудование для EHT обеспечил Аризонский университет.

[8] BlackHoleCam – финансируемый ЕС проект, направленных на получение изображений, измерение и понимание астрофизических черных дыр. Главной целью BlackHoleCam и Телескопа горизонта событий (EHT) – получить первые в истории изображения чёрной дыры с массой в миллиард солнечных масс в близлежащей галактике M87 и менее массивного объекта Стрелец A*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, нашей Галактики. Эти наблюдения позволяют с высокой точностью определить искажения пространства-времени, вызванные черной дырой.