Первый снимок чёрной дыры в центре нашей Галактики

12 мая 2022 года астрофизики представили первое изображение чёрной дыры в центре Млечного Пути — сверхмассивного объекта в созвездии Стрельца с обозначением Sgr A*. Снимок получен международной коллаборацией EHT (Event Horizon Telescope) по данным от сети радиотелескопов, расположенных в разных местах Земли. Несколькими годами ранее на том же массиве радиотелескопов впервые было получено изображение чёрной дыры в другой галактике. Первое в истории изображение […]

12 мая 2022 года астрофизики представили первое изображение чёрной дыры в центре Млечного Пути — сверхмассивного объекта в созвездии Стрельца с обозначением Sgr A*. Снимок получен международной коллаборацией EHT (Event Horizon Telescope) по данным от сети радиотелескопов, расположенных в разных местах Земли. Несколькими годами ранее на том же массиве радиотелескопов впервые было получено изображение чёрной дыры в другой галактике.

Первое в истории изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики было опубликовано в 2019 году. Это эллиптическая галактика M87 на расстоянии 50 миллионов световых лет. На небесной сфере она находится в созвездии Девы, и её даже можно рассмотреть в бинокль (звёздная величина составляет 8,6^m). Под «изображением» чёрной дыры понимается снимок её аккреционного диска, то есть звёздного и газопылевого вещества в окрестностях, которое, притягиваясь к сверхмассивному объекту, проявляет себя в виде излучения разных диапазонов. В центральной части такого диска находится тень — тёмное пятно, которое и указывает на присутствие чёрной дыры. Знаменитый «снимок» объекта M87* (так обозначают чёрную дыру в центре этой галактики) был получен в радиодиапазоне на длине волны 1,3 мм на телескопах Event Horizon Telescope и представляет собой результат интегрирования сигнала на протяжении нескольких месяцев наблюдений. Данные для этого снимка, как и для чёрной дыры Sgr A*, собирались в течение 2017 года. Отметим, что на днях вышла большая статья, в которой астрофизики ставят под сомнение «истинность» того самого снимка M87*, предполагая, что изображение может быть артефактом обработки этого огромного массива данных с радиотелескопа. Но для подтверждения или опровержения столь радикальных выводов, видимо, нужно подождать мнения большего числа специалистов.

Астрономы почти пятьдесят лет подозревали, что сверхмассивный и компактный объект в центральной части Галактики существует. Такой вывод следовал из наблюдений за движением звёзд и квазизвёздных объектов вблизи центра Млечного Пути. На небесной сфере центр нашей Галактики виден в южном созвездии Стрельца и легко узнаваем в виде широкого и яркого «пятна» на этом участке дуги Млечного Пути (как на открывающей эту статью картинке). Особенности траекторий указывали, что этот газовый и звёздный материал вращается вокруг некоторого компактного космического тела с огромной массой. Объект назвали Sagittarius A*, и его свойства позволяют предположить, что это именно чёрная дыра того же типа что и в центре большинства галактик. Оценки дают массу этого объекта в четыре миллиона масс Солнца, а за его открытие в 2020 году была присуждена Нобелевская премия по физике (об этом можно прочитать в более подробном материале).

Для получения изображения чёрной дыры в радиодиапазоне использовались массивы радиоантенн в разных точках планеты. Всего в проекте Event Horizon Telescope задействовано восемь обсерваторий, в частности, радиотелескоп ALMA в чилийской пустыне Атакама и SPT (South Pole Telescope) на Южном полюсе. Таким образом создаётся виртуальный радиотелескоп размером с Землю: обсерватории на разных континентах работают как части одной антенны-«тарелки», собирающей космическое радиоизлучение. Снимку посвящён специальный выпуск The Astrophysical Journal Letters от мая 2022 года, в котором опубликовано шесть статей коллаборации EHT о разных аспектах наблюдений и обработки данных.

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. Две галактики относятся к разным типам. Млечный Путь — спиральная галактика с несколькими рукавами, а M87 — это гигантская эллиптическая галактика, одна из самых крупных в Местном сверхскоплении. Тем не менее вид аккреционных дисков двух чёрных дыр описывается выражениями, предсказанными в рамках Общей теории относительности.

Задолго до того, как у астрофизиков появились инструментальные возможности для фотографирования таких чёрных дыр, их изображения пытались получить при помощи компьютерного моделирования. Один из таких рисунков на фото справа — первый результат компьютерной симуляции аккреционного диска, который создал в 1978 году французский астроном Жан-Пьер Люмине. Визуализацию он создавал, уже имея в виду объект в центре галактики M87, который сфотографируют только через сорок лет. Кроме доступных на тот момент вычислительных мощностей, за неимением компьютерной рисовалки, ему пришлось использовать самодельную «аналоговую» технику, нанося на бумагу тушью точки с плотностью, соответствующей компьютерному расчёту. Тогда это, по-видимому, воспринималось как научная игрушка без особых приложений: визуализация таких объектов вошла в моду только через десять лет, и в конце 1980-х годов появились первые «истинно-компьютерные» изображения аккреционных дисков.

Оба снимка чёрных дыр созданы на основе массива данных радиотелескопов, собранных в 2017 году. Но снимок M87* стал сенсацией 2019 года, а фотографию Sgr A* предъявили научной общественности только сейчас. Собрать паззл из снимков «нашей» чёрной дыры оказалось значительно труднее. Sgr A* ближе, чем M87* (27 тысяч и 50 миллионов световых лет соответственно) и сильно меньше, а их видимые угловые размеры на небе сопоставимы — 50 μas, то есть микросекунд дуги. Но для снимка Sgr A* потребовалось разработать новые алгоритмы, которые учитывали бы движение масс межзвёздного газа возле чёрной дыры. В случае с M87* эта задача была проще. Газ вблизи чёрной дыры движется со скоростью, близкой к скорости света. Оборот вещества вокруг M87* занимает дни или недели и объект выглядит практически неизменным на разных снимках. Характерное время обращения вокруг значительно более скромной дыры в Стрельце — это минуты. Поэтому «фотография» чёрной дыры Sgr A* — это усреднение данных со множества изображений, которое только и позволяет выделить неподвижный сверхмассивный объект на фоне меняющейся картинки потоков межзвёздного вещества. Для сбора итогового снимка потребовалось пять лет работы коллаборации EHT (более 300 специалистов из 80 научных учреждений разных стран) с использованием суперкомпьютеров. Такие вычислительные мощности нужны даже не столько для комбинирования и обработки данных, сколько для просчёта обширной библиотеки «модельных» чёрных дыр и сопоставления их с наблюдениями.