В 2018 году, объединив данные с двух самых мощных сетей радиотелескопов мира — GMVA и Event Horizon Telescope (EHT), — исследователи впервые получили изображения окрестностей сверхмассивной черной дыры M87* на двух разных длинах волн.
Сравнив эти снимки, ученые вычислили так называемый спектральный индекс — величину, показывающую, как яркость излучения зависит от частоты.
Результат оказался неожиданным: на разных расстояниях от черной дыры излучение ведет себя принципиально по-разному, переходя из состояния полной «непрозрачности» к состоянию «прозрачности».
Чтобы понять физику процессов, происходящих в непосредственной близости от черной дыры, астрофизики объединили наблюдения, проведенные почти одновременно в 2018 году на двух длинах волн — 3.5 миллиметра (86 ГГц) и 1.3 миллиметра (230 ГГц).
В работе использовались данные глобальной миллиметровой РСДБ-сети GMVA с подключением массива ALMA и телескопа в Гренландии, а также обсерватории Event Horizon Telescope (EHT). Сравнивая два набора изображений, ученые вычислили спектральный индекс — ключевой параметр, который позволяет определить, является ли излучение «плотным» (оптически толстым) или «прозрачным» (оптически тонким) для радиоволн.
Главные мысли за 1 минуту
- В центре, в пределах кольца размером с Солнечную систему (20 микросекунд дуги), спектральный индекс оказался положительным и близким к единице. Это означает, что излучение исходит из «непрозрачного», поглощающего источника.
- По мере удаления от центра спектральный индекс плавно снижается, пересекает нулевую отметку в районе радиуса кольца на длине волны 3.5 мм (30 микросекунд дуги) и становится отрицательным. Это признак того, что излучение становится «прозрачным».
- Таким образом, впервые удалось наблюдать вблизи горизонта событий переход от плотного, поглощающего излучение состояния к разреженному и прозрачному. Переход происходит на расстояниях, сравнимых с размером самой черной дыры.
- На северо-западе кольца обнаружено локальное усиление спектрального индекса, совпадающее с зоной зарождения релятивистского джета. Авторы признают, что пока это может быть артефактом обработки данных.
- Усредненный по всей центральной области спектральный индекс оказался почти плоским (α ≈ −0.04), что идеально согласуется с предыдущими измерениями без пространственного разрешения, но новая работа впервые показала внутреннюю структуру.
Как удалось заглянуть внутрь невидимого?
Методика анализа спектрального индекса позволила не просто увидеть, что излучение меняется, но и понять, как именно это происходит. В самом центре, в пределах кольцеобразной структуры, видимой на длине волны 1.3 мм (область размером примерно 20 микросекунд дуги, что соответствует масштабу Солнечной системы на расстоянии 55 миллионов световых лет), спектральный индекс оказался положительным и близким к единице. Физическая интерпретация такова: в этой зоне излучение ведет себя как раскаленная поверхность, скрывающая то, что находится под ней. Ученые объясняют это эффектом синхротронного самопоглощения — электроны, движущиеся по спирали в мощном магнитном поле, испускают радиоволны, которые тут же поглощаются окружающей плазмой.
По мере удаления от черной дыры картина начинает меняться. Спектральный индекс плавно снижается, пересекает нулевую отметку в районе радиуса кольца, видимого на длине волны 3.5 мм (около 30 микросекунд дуги), и становится отрицательным на больших расстояниях. Отрицательный индекс — верный признак того, что излучение становится «прозрачным»: радиоволны беспрепятственно покидают область, и телескопы видят более глубокие и разреженные слои плазмы. Таким образом, исследователи впервые наблюдали вблизи горизонта событий переход от плотного, поглощающего состояния к разреженному и прозрачному, причем этот переход происходит на расстояниях, сопоставимых с размером самой черной дыры.
Северо-западная аномалия и рождение джета
Карта спектрального индекса имеет явно выраженную кольцевую структуру, напоминающую форму изображений самой черной дыры. В одном из секторов кольца — на северо-западе — исследователи заметили локальное усиление спектрального индекса. Эта область совпадает с зоной, где, по имеющимся данным, зарождается релятивистский джет — мощная струя вещества, вырывающаяся из окрестностей черной дыры почти со скоростью света. Это наблюдение позволяет предположить, что вблизи основания джета физические условия, в частности магнитное поле или плотность частиц, отличаются от окружающей среды.
Авторы исследования, однако, призывают к осторожности: наблюдения на двух частотах велись не строго одновременно, поэтому пока нельзя с полной уверенностью утверждать, что эта аномалия реальна, а не является артефактом обработки данных. Окончательный ответ должны дать будущие синхронные измерения.
Теория сходится с реальностью
Одним из самых удивительных результатов стало то, что если усреднить спектральный индекс по всей центральной области (размером менее 100 микросекунд дуги), он оказывается почти плоским, близким к нулю (α ≈ −0.04). Это идеально согласуется с предыдущими измерениями, которые не имели пространственного разрешения. Но главная ценность новой работы именно в том, что она позволила «заглянуть» внутрь этой области и увидеть, как свойства излучения меняются от точки к точке. В более ранних наблюдениях на более низких частотах (22 и 43 ГГц) ученые видели похожий эффект, но там он был связан уже не с аккреционным диском, а с самим джетом на гораздо больших расстояниях от черной дыры. Теперь два масштаба — горизонт событий и структура джета — начинают соединяться в единую картину.
Полученные данные имеют прямое отношение к теории. Современные модели, описывающие аккрецию вещества на сверхмассивные черные дыры (радиационно-неэффективные аккреционные потоки), предсказывают именно такую картину: чем ближе к черной дыре, тем более «непрозрачным» должно быть излучение на миллиметровых волнах. Сравнение с компьютерными симуляциями, учитывающими общую теорию относительности и магнитогидродинамику, показывает, что наблюдаемый градиент спектрального индекса лучше всего соответствует моделям с высокой аккрецией и определенной степенью нагрева электронов. Это значит, что у ученых появился новый инструмент — спектральное картографирование — позволяющий проверять и уточнять теории о том, как черная дыра питается веществом и как порождает мощнейшие космические струи.
Следующий шаг: охота за фотонным кольцом
Авторы отмечают, что это только начало. Разрешение современных телескопов все еще не позволяет разглядеть тонкие детали, например, предсказываемый теоретиками мощный всплеск спектрального индекса в районе так называемого «фотонного кольца» — области, где свет многократно огибает черную дыру под действием чудовищной гравитации. Этот пик сглаживается из-за ограниченного разрешения, но его поиск остается одной из главных целей будущих наблюдений. Ученые возлагают большие надежды на проект следующего поколения ngEHT, который начнет работать на частоте 345 ГГц, а также на космические обсерватории, такие как Black Hole Explorer и Millimetron. Они смогут обеспечить беспрецедентное угловое разрешение и, возможно, позволят напрямую увидеть те области, где гравитация и электромагнетизм сходятся в своей самой экстремальной форме.
Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.
