В 2018 году выяснилось, что пионерский телескоп размером с Землю впервые сделал снимок черной дыры. Тот же инструмент, Event Horizon Telescope (EHT), теперь стал свидетелем мощного и неожиданного взрыва той же черной дыры. Ученые надеются, что, изучая это излучение, они смогут лучше смоделировать структуру, окружающую сверхмассивные черные дыры.
Вспышка, которая длилась около трех дней в апреле и мае 2018 года, произошла из сверхмассивной черной дыры, обозначенной как M87* , которая находится в центре галактики M87 , расположенной примерно в 55 миллионах световых лет от нас. 25 наземных и орбитальных телескопов, входящих в состав EHT, увидели вспышку как высокоэнергетический свет, называемый гамма-лучами.
Это была не только первая вспышка M87* с 2010 года, но и извержение было более энергичным, чем типичные вспышки этой черной дыры.
Считается, что сверхмассивные черные дыры существуют в центре всех крупных галактик, включая нашу — Млечный Путь.
M87* выделяется из центральной сверх массивной черной дыры Млечного Пути, Стрельца А* (Sgr A*). Наша домашняя сверхмассивная черная дыра имеет массу, равную примерно 4,3 миллионам солнц, в то время как масса M87* равна примерно 5,4 миллиардам солнц!
Но M87* также отличается от Sgr A*, поскольку эта более далекая черная дыра жадно питается . Это питание ответственно за струи, связанные со вспышками высокой энергии, такими как гамма-извержение, обнаруженное EHT в 2018 году.
«Вместе с субмиллиметровыми наблюдениями EHT новые данные, собранные в нескольких диапазонах излучения, предлагают уникальную возможность понять свойства области гамма-излучения , связать ее с потенциальными изменениями в струе M87 и обеспечить более чувствительные тесты общей теории относительности», — сказал в своем заявлении руководитель проекта и исследователь из Университета Триеста Джакомо Принчипе. «Эти наблюдения могут пролить свет на некоторые из основных вопросов астрофизики, которые до сих пор не решены.
«Как возникают мощные релятивистские струи, которые наблюдаются в некоторых галактиках? Где ускоряются частицы, ответственные за излучение гамма-лучей? Какое явление ускоряет их до энергий в триллионы электрон-вольт? Каково происхождение космических лучей ?»
Черные дыры — неаккуратные пожиратели
Что действительно отличает черные дыры, так это преобладание материи, которая их окружает. В то время как некоторые, такие как Sgr A*, существуют в относительно пустых кладовых (если бы наша черная дыра была человеком, она бы существовала на диете из одного зерна риса каждые миллион лет), другие, такие как M87*, имеют изобилие материи, которой можно питаться.
Однако, хотя наше представление о черной дыре как о всепоглощающем, всепожирающем космическом титане, от которого ничто не ускользает, сверхмассивные черные дыры, такие как M87*, на самом деле довольно расточительные едоки . Подобно капризным малышам, большая часть еды, предназначенной для этих черных дыр, в конечном итоге оказывается жестоко выброшенной.
Материя, окружающая сверхмассивные черные дыры, существует в сплющенном облаке, называемом аккреционным диском, и в форме перегретого газа, называемого «плазмой», поскольку он все еще имеет угловой момент или спин. Этот угловой момент также означает, что эта плазма не может упасть прямо на черную дыру; вместо этого она закручивается вокруг центральной сверхмассивной черной дыры и постепенно поступает в нее.
Однако сверхмассивные черные дыры также окружены мощными магнитными полями. Они направляют материал из аккреционного диска к полюсам черной дыры. В какой-то момент эти частицы ускоряются до околосветовых скоростей и выбрасываются в виде высокоэнергетических струй .
Эти струи сопровождаются всплесками электромагнитного излучения, подобными вспышке гамма-излучения, которую наблюдал EHT.
Энергетический выброс из M87*, зафиксированный EHT, показал, что струя, вырывающаяся из этой черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, простирается на удивительно большое расстояние.
Струя в десятки миллионов раз шире самой черной дыры. Разница в размерах настолько велика, что напоминает извержение синего кита из одной-единственной бактерии.
То, как черные дыры запускают эти струи, все еще остается загадкой, и ученые EHT надеются, что эти наблюдения помогут разобраться в этом вопросе.
«В частности, эти результаты предоставляют первую в истории возможность определить точку, в которой ускоряются частицы, вызывающие вспышку, что потенциально может разрешить давний спор о происхождении космических лучей (частиц очень высокой энергии) из космоса, обнаруженных на Земле», — продолжил Принсипи.
В основе EHT лежит взаимодействие между приборами, и эти результаты являются ярким тому примером.
В дополнение к телескопам, которые уже объединены, чтобы превратить EHT в телескоп размером с Землю, в этой кампании были задействованы такие космические инструменты, как Fermi , NuSTAR , Chandra и Swift.
«Fermi-LAT выявила заметное увеличение потока в тот же период, что и другие обсерватории, помогая идентифицировать область гамма-излучения во время этих увеличений яркости», — сказала Элизабетта Каваццути, глава Fermi. «M87 — это лаборатория, которая в очередной раз демонстрирует важность скоординированных наблюдений на нескольких длинах волн, а также хорошо отобранных для полной характеристики спектральной изменчивости источника, изменчивости, которая, вероятно, распространяется на различные временные масштабы, с максимально широким обзором, полным по всему электромагнитному спектру».
Благодаря сотрудничеству этих и других телескопов ученые смогли различить четкое изменение угла струи от ядра M87. Похоже, это происходит ежегодно.
Команда также заметила коррелированные изменения в горизонте событий , улавливающей свет внешней границе каждой черной дыры. Это предполагает связь между горизонтами событий и мощными струями, выпущенными черными дырами.
«На первом изображении во время наблюдательной кампании 2018 года было видно, что это кольцо не было однородным и, следовательно, имело асимметрию (т. е. более яркие области)», — заключил Принсипи. «Последующие наблюдения, проведенные в 2018 году, и связанные с этой публикацией научные исследования подтвердили данные, но подчеркнули, что позиционный угол асимметрии изменился».
Исследование группы было опубликовано в пятницу (13 декабря) в журнале Astronomy & Astrophysics.
Прочитайте что такое взгляд в будущее