12 мая на одновременно проведённых по всему миру пресс-конференциях, одна из которых состоялась в штаб-квартире Европейской Южной обсерватории (ESO) в Германии, астрономы показали первое изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики – Млечного Пути.
Этот результат с ошеломляющей очевидностью доказывает, что изображённый объект действительно является чёрной дырой. Получена ценнейшая информация о процессах, происходящих в окрестности этих монстров, которые, как полагают, находятся в центрах большинства галактик. Изображение было получено международной исследовательской группой – коллаборацией «Телескоп Горизонта Событий» (EHT), которая выполнила наблюдения объекта при помощи глобальной сети радиотелескопов.
Получено долгожданное изображение сверхмассивного объекта в самом центре нашей Галактики. Учёные уже давно наблюдают звёзды, обращающиеся вокруг какого-то невидимого, компактного и очень массивного тела в центре Млечного Пути. Есть много свидетельств того, что этот объект, известный как Стрелец A* (сокращённо Sgr A*, произносится «Стрелец А со звёздочкой») — чёрная дыра, и публикуемое сегодня изображение даёт первое прямое визуальное доказательство этого.
Хоть мы и не можем видеть чёрную дыру, так как она действительно абсолютно чёрная, её выдаёт окружающий её светящийся газ: мы наблюдаем тёмную центральную область (называемую тенью), окружённую яркой кольцеобразной структурой. Изображение сформировано световыми лучами, искривлёнными мощной гравитацией чёрной дыры, масса которой в четыре миллиона раз превышает массу нашего Солнца.
“Мы были поражены тем, насколько точно размер кольца согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна»,– сказал координатор проекта EHT Джеффри Боуэр (Geoffrey Bower) из Института астрономии и астрофизики при Academia Sinica в Тайпее. «Эти пионерские наблюдения в огромной степени углубили наше понимание процессов, происходящих в самом центре нашей Галактики, позволили по-новому увидеть, как гигантские чёрные дыры взаимодействуют со своим окружением». Результаты, полученные группой EHT, публикуются сегодня в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal Letters.
Так как эта чёрная дыра находится от Земли на расстоянии около 27 000 световых лет, её видимые размеры на небе примерно соответствуют размерам пончика на Луне. Чтобы получить её изображение, группа создала сверхмощную антенную решётку EHT: восемь крупнейших радиообсерваторий всей планеты, объединившись, создали единый гигантский виртуальный телескоп размером с земной шар. При помощи EHT в 2017 году объект Sgr A* наблюдался в течение многих ночей; данные накапливались на протяжении многих часов подряд, подобно тому, как это происходит во время длинных экспозиций с фотокамерой.
Наряду с другими инструментами сеть радиообсерваторий EHT включает в себя Атакамскую миллиметровую / субмиллиметровую антенную решётку ALMA и субмиллиметровый телескоп APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), установленные в пустыне Атакама в Чили. ESO является совладельцем этих инструментов и партнёром по их эксплуатации от имени всех своих европейских стран-участниц. Вклад в наблюдения EHT внесли и другие радиообсерватории Европы: 30-метровый телескоп IRAM в Испании, начиная с 2018 года – антенная решётка NOEMA (NOrthern Extended Millimeter Array) во Франции, а также суперкомпьютер, установленный в Институте радиоастрономии Макса Планка в Германии, применявшийся для суммирования данных EHT. Европа участвовала в финансировании консорциума EHT, выделяя гранты Европейского Совета по научным исследованиям и Общества Макса Планка в Германии.
“Это замечательно, что ESO много лет играет такую важную роль в раскрытии тайн чёрных дыр, в особенности Sgr A*»,– сказал Генеральный директор ESO Хавьер Барконс (Xavier Barcons). “ESO не только внесла важнейший вклад в наблюдения EHT, в составе которого работают установки ALMA и APEX, но также выполнила на других своих обсерваториях в Чили ряд прорывных наблюдений центра Галактики”.
Нынешнее достижение EHT следует за получением коллаборацией в 2019 году первого в истории изображения чёрной дыры M87* в центре далёкой галактики Мессье 87.
Две чёрных дыры выглядят очень схожими, хотя чёрная дыра в нашей Галактике более, чем в тысячу раз меньше и менее массивна, чем M87*. «Мы имеем дело с двумя совершенно разными типами галактик и двумя объектами очень разной массы, но, как ни странно, эти чёрные дыры выглядят удивительно похожими»,– говорит Сера Маркофф (Sera Markoff), сопредседатель Научного совета EHT, профессор теоретической астрофизики Амстердамского университета в Нидерландах. »Это говорит нам, что общая теория относительности управляет всем поведением этих объектов, а любые отличия, которые мы видим, должны обусловливаться различиями в веществе, окружающем эти чёрные дыры.”
Получить это изображение было гораздо труднее, чем изображение M87*, несмотря на то, что Sgr A* расположен гораздо ближе к нам. Научный сотрудник группы EHT Чи-куань (Си-Кей) Чань (Chi-kwan (‘CK’) Chan) из обсерватории Стюарда, факультета астрономии и Института анализа данных Аризонского университета в США, объясняет: “Газ в окрестности обеих чёрных дыр – и Sgr A*, и M87* – движется с одинаковой скоростью, почти равной скорости света. Но на то, чтобы совершить один оборот вокруг большей по размеру M87*, у газа уходит от нескольких дней до нескольких недель, а вокруг гораздо меньшей Sgr A* он обращается за несколько минут. Это объясняет, почему яркость и структура газа вокруг Sgr A* во время наблюдений на EHT менялась очень быстро — ситуация, немного похожая на попытку получить чёткое фото щенка, который носится по комнате, гоняясь за собственным хвостом.”
Исследователям пришлось разработать новые сложные алгоритмы и программы, чтобы промоделировать движения газа вокруг Sgr A*. M87* была простой и устойчивой мишенью, почти все изображения которой выглядели примерно одинаково; но с Sgr A* всё оказалось совершенно иначе. Изображение чёрной дыры Sgr A* усреднялось по многим различным индивидуальным визуализациям, полученным группой, пока наконец не удалось впервые выявить тень гигантского монстра, затаившегося в центре нашей Галактики.
Получение этого результата стало возможным благодаря усилиям более трёхсот исследователей из 80 институтов всего мира, составивших коллаборацию EHT. Кроме разработки сложнейших инструментов, способных преодолеть трудности получения изображения Sgr A*, на протяжении пяти лет группа упорно работала, аккумулируя и анализируя данные наблюдений на суперкомпьютерах, и одновременно с этим разрабатывая не имеющую аналогов библиотеку компьютерных симуляций чёрных дыр, которые сравнивались с наблюдениями.
Учёные особенно довольны тем, что наконец получили изображения двух чёрных дыр очень разных размеров, и теперь имеют возможность сравнивать их друг с другом. Новые данные начали использоваться для тестирования теорий и моделей поведения газа в окрестностях сверхмассивных чёрных дыр. Эти процессы ещё далеки от полного понимания, но по всей видимости именно они играют ключевую роль в образовании и эволюции галактик.
“Теперь мы можем изучать различия между этими двумя сверхмассивными чёрными дырами, чтобы получить новые сведения о том, что происходит вокруг них»,– говорит участник проекта EHT Кейичи Асада (Keiichi Asada) из Института астрономии и астрофизики в Academia Sinica в Тайпее. “У нас есть изображения двух чёрных дыр — одной из самых крупных, и другой из разряда небольших сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной. Теперь мы можем продвинуться гораздо дальше, чем когда-либо раньше, в исследовании гравитационных полей в экстремальных условиях, существующих в окрестностях этих объектов.”
Проект EHT продолжает развиваться: в ходе большой наблюдательной кампании в марте 2022 года было задействовано больше телескопов, чем когда бы то ни было. Продолжающееся расширение сети телескопов EHT и значительные технические усовершенствования позволят учёным в ближайшем будущем получить ещё более впечатляющие изображения и даже видео о чёрных дырах.