Астрономы показали первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики

Международная исследовательская группа — коллаборация «Телескоп Горизонта Событий» (EHT) — при помощи глобальной сети радиотелескопов впервые получила изображение сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре нашей Галактики — Млечного Пути.

Еще в 1960-е астрономы выяснили, что в центре Млечного Пути находится мощный радиоисточник. Он получил название Стрелец А* (Sagittarius A*, Sgr A*). Наблюдать его в оптическом диапазоне, к сожалению, невозможно, так как центральную часть нашей галактики закрывают облака межзвездного газа и пыли. Но телескопы, работающие в инфракрасном и радиодиапазоне, позволяют увидеть звезды, близкие к центру. Есть много свидетельств того, что этот объект — черная дыра, и публикуемое изображение дает первое прямое визуальное доказательство этого.

Черную дыру выдает окружающий ее светящийся газ: мы наблюдаем темную центральную область (называемую тенью), окруженную яркой кольцеобразной структурой. Изображение сформировано световыми лучами, искривленными мощной гравитацией черной 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 черные дыры взаимодействуют со своим окружением».

Так как эта черная дыра находится от Земли на расстоянии около 27 000 световых лет, ее видимые размеры на небе примерно соответствуют размерам пончика на Луне. Чтобы получить ее изображение, группа создала сверхмощную антенную решетку EHT: восемь крупнейших радиообсерваторий всей планеты, объединившись, создали единый гигантский виртуальный телескоп размером с Землю. При помощи EHTв 2017 году объект SgrA* 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 решетку ALMA и субмиллиметровый телескоп APEX(Atacama Pathfinder EXperiment), установленные в пустыне Атакама в Чили. ESO является совладельцем этих инструментов и партнером по их эксплуатации от имени всех европейских стран-участниц. Вклад в наблюдения EHT внесли и другие радиообсерватории Европы: 30-метровый телескоп IRAM в Испании, начиная с 2018 года — антенная решетка 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.

Нынешнее достижение EHT следует за получением коллаборацией в 2019 году первого в истории изображения черной дыры M87* в центре далекой галактики Мессье 87. Две черных дыры выглядят очень схожими, хотя черная 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 черные дыры выглядят удивительно похожими, — говорит Сэра Маркофф (Sera Markoff), сопредседатель Научного совета EHT, профессор теоретической астрофизики Амстердамского университета. — 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 черные дыры».

Получить это изображение было гораздо труднее, чем изображение M87*, несмотря на то, что SgrA* расположен гораздо ближе к нам. Сотрудник группы EHT Чи-Куань (Си-Кей) Чань (Chi-Kwan (‘CK’) Chan) из Аризонского университета объясняет: «Газ в окрестности обеих черных дыр — и SgrA*, 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 SgrA* он обращается за несколько минут. Это объясняет, почему яркость и структура газа вокруг SgrA* во время наблюдений на EHT менялась очень быстро — ситуация, немного похожая на попытку получить четкое 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 черной 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 чем трехсот 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 черных дыр, которые сравнивались с наблюдениями.

Ученые особенно довольны тем, что наконец получили изображения двух черных 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 черных дыр. Эти процессы еще далеки от полного понимания, но, по всей видимости, именно они играют ключевую роль в образовании и эволюции галактик.

Результаты исследования опубликованы в шести статьях в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal Letters.