Снимката на черна дупка в M87: как се получи и какво показаха следващите години

На 10 април 2019 г. международният колектив Event Horizon Telescope (EHT) показа първото изображение на сянката на свръхмасивна черна дупка. Обектът е в центъра на галактиката Messier 87 (M87) от купа в Дева, на около 55 млн. светлинни години от нас. Резултатите излязоха в шест статии в „The Astrophysical Journal Letters“. Според първата от тях масата на черната дупка е около 6,5 млрд. слънчеви маси, а яркият пръстен около нея има видим диаметър 42 ± 3 микроъглови секунди. Микроъгловата секунда е една милионна част от ъгловата секунда.

Какво показва изображението

На образа няма предмет с твърда повърхност. Виждат се светъл пръстен и тъмна област в средата му. Тъмното петно е сянката на черната дупка, а пръстенът е излъчване на нагрят газ близо до нея. Авторите описват пръстена като асиметричен: едната му страна е по-ярка. Обясняват това с релативистки лъчев ефект при плазма, която се върти с почти светлинна скорост. Контрастът между пръстена и централното понижение на яркостта е поне около 10 към 1.

Размерът и формата отговарят на предсказанията на общата теория на относителността за сянката на въртяща се (керова) черна дупка. Масата е получена, като наблюденията са сравнени със симулации на плазма в силно гравитационно и магнитно поле. Резултатът е (6,5 ± 0,7) млрд. слънчеви маси.

Как беше получено

EHT не е един уред, а мрежа от осем наземни радиотелескопа: ALMA, APEX, 30-метровият телескоп на IRAM, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope и Южнополюсният телескоп. Те наблюдават на вълна 1,3 мм и записват сигнала едновременно. Този метод се нарича интерферометрия с много дълга база. Заради въртенето на Земята мрежата се държи като един виртуален телескоп с размерите на планетата, с ъглова разделителна способност около 20 микроъглови секунди.

Наблюденията са от април 2017 г. и дават петабайти данни. Суперкомпютри в Института за радиоастрономия „Макс Планк“ и в обсерваторията Haystack на MIT ги обработват и съчетават. Покритието на данните е оскъдно, затова образът е реконструкция, а не кадър като от фотоапарат. Няколко различни метода за калибриране и изобразяване дават един и същ пръстен, а размерът и ширината му се запазват и в четири наблюдения в различни дни.

Директорът на проекта Шепърд Доулман (Sheperd Doeleman) казва при обявяването: „Направихме първата снимка на черна дупка“. Директорката на Националната научна фондация на САЩ Франс Кордова (France Córdova) нарича деня „огромен ден за астрофизиката“.

Какво показаха следващите години

През 2021 г. EHT публикува поляризацията на пръстена от същите данни от 2017 г. Само част от пръстена е силно поляризирана, най-много (около 15%) в югозападната му част, а посоките на поляризацията образуват приблизително кръгов модел. Екипът намира и признаци, че поляризираната структура се е променяла в рамките на седмицата на наблюдения. Тези данни ограничават възможните магнитни полета около черната дупка.

На 12 май 2022 г. колективът показа и образа на Sagittarius A* (Sgr A*), черната дупка в центъра на Млечния път. Тя е на около 27 000 светлинни години и има маса около 4 млн. слънчеви. Над 300 изследователи от 80 института работят по проекта около пет години. Sgr A* е над хиляда пъти по-малка и по-слабо масивна от M87*. Заради това видът ѝ се променя много по-бързо: денят от живота на M87* съответства на около минута при Sgr A*. Затова публикуваният образ е усреднение на няколко извлечени образа.

През 2023 г. EHT съобщи първия анализ на кръговата поляризация в данните от 2017 г. Екипът намира убедителни данни за такова излъчване в мащаба на хоризонта на черната дупка, със средна стойност под 3,7%. Според авторите обаче формата му зависи силно от метода на изобразяване, защото покритието е ограничено, калибровката е несигурна, а сигналът е слаб. Резултатите подкрепят по-ранното предпочитание към модели с магнитно блокиран акреционен поток.

Какво остава неясно

Описаните анализи използват наблюденията от април 2017 г. и всеки от тях носи собствени допускания, особено при слабите поляризирани сигнали. Затова изводите за магнитните полета и за състава на плазмата остават предмет на сравнение между модели и методи.

Екипът планира следващо поколение на мрежата, ngEHT, което да удвои броя на радиоантените. Според Доулман с по-пълно покритие и нови честоти ще могат да се заснемат черни дупки в движение.