Получена новая фотография черной дыры. Что в ней особенного?
В нашем стремлении познать Вселенную, мы – сапиенсы, продвинулись довольно далеко. Судите сами: физики из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) разгоняют элементарные частицы до околосветовых скоростей и сталкивают их друг с другом; инженеры NASA успешно посадили на поверхность Красной планеты марсоход Perserverance; биологи объяснили сложную работу циркадных ритмов и это не говоря об изготовлении вакцины против COVID-19 в рекордные сроки. Но что особенно приятно, так это достижения астрофизиков, которым за последние несколько лет удалось доказать, что космические монстры – сверхмассивные черные дыры – действительно существуют. Так, в 2019 году мир впервые увидел снимок горизонта событий черной дыры. Теперь же международная команда радиоастрономов представила на обозрение изумленной публики первое реальное изображение черной дыры, расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли.
Вид на сверхмассивную черную дыру в поляризованном свете. Изображение: EHT
Эволюция массивных звезд
Можно ли сфотографировать объект, который не видно? Любой фотограф и человек, более-менее разбирающийся в свойствах видимого света, ответит на этот вопрос отрицательно. К счастью, человеческий глаз воспринимает далеко не весь световой спектр, а ученым относительно давно известно о существовании ультрафиолетового, инфракрасного и реликтового излучения.
Последним исследователи называют тепловое излучение, которое равномерно заполняет Вселенную и возникло спустя 300 000 лет после Большого взрыва. С течением времени микроволновое фоновое космическое излучение (от англ. cosmic microwave background radiation) позволило космологам получить представление о том, насколько велика была наша Вселенная вскоре после рождения.
Перед тем как говорить о сверхмассивных черных дырах напомним, что эти объекты представляют собой области пространства-времени, гравитация которых настолько сильна, что даже фотоны света не могут их покинуть. Сегодня физики полагают, что только звезды, чья масса превышает 15 солнечных, могут коллапсировать в этих космических монстров. Это происходит в самом конце их эволюции, когда материал для термоядерных реакций исчерпан и внутреннее давление не может удерживать внешние слои светила, из-за чего те падают в центр.
Причина, по которой сложно обнаружить нейтронные звезды заключается в том, что от них практически не исходит излучение.
Но если внешние слои звезды выбросит в окружающее пространство, произойдет вспышка сверхновой – последний акт превращения массивной звезды в нейтронную. Зависят эти процессы только от первоначальной массы объекта. Так что в космосе все очень и очень непросто.
Фотография космического монстра
На протяжении многих лет радиоастрономы международного проекта Event Horizon Telescope Collaboration наблюдали за сверхмассивной черной дырой – чудовищем в 6,5 миллиардов раз массивнее Солнца, которое вращается в центре огромной эллиптической галактики Messier 87. Примечательно, что последние два года исследовательская группа провела извлекая как можно больше данных из своих наблюдений о поляризации радиоволн, которые могут выявить форму магнитных полей в горячем газе, вращающемся вокруг дыры.
Бесценный труд астрофизиков позволил увидеть, что черная дыра в центре М87 закачивает материю внутрь, а энергию наружу в космос, словно вихрь вращающейся лопасти вентилятора реактивного двигателя. Примечательно, что струи и лепестки радио, рентгеновской и других форм энергии простираются более чем на 100 000 световых лет от черной дыры в М87. Большая часть этого излучения исходит от энергичных электрических частиц, вращающихся по спирали в магнитных полях.
Новое исследование поможет больше узнать о том, как магнитные поля влияют на активность черных дыр. Снимок Event Horizon Telescope Collaboration.
Как рассказали авторы исследования журналистам The New York Times, теперь они могут детально изучить как черная дыра направляет материал к своему центру. По мнению Дэниела Хольца, астрофизика из Чикагского университета, который не принимал участия в исследовании, эти релятивистские струи являются одними из самых экстремальных явлений в природе. Сочетание гравитации, горячего газа и магнитных полей производит луч, пересекающий всю галактику.
Самая первая фотография горизонта событий черной дыры была получена в 2019 году.
Побочным результатом работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters стало то, что астрономы смогли оценить скорость, с которой черная дыра питается своей средой. По-видимому, она не очень-то голодна, так как съедает «ничтожную» тысячную часть массы Солнца в год.
Диаметр космического монстра в центре галактики М87 в созвездии Девы, как отмечают авторы научной работы, составляет порядка 100 миллиардов километров, а масса около 6,5 миллиарда масс Солнца.
Отметим также, что закручивающиеся в воронку полосы, которые хорошо видно на фотографии — это силовые линии магнитного поля в окрестностях черной дыры. Само поле не очень мощное: от 1 до 30 Гауссов, что всего в 4–10 раз сильнее магнитного поля Земли на поверхности.