Учёные обнаружили неожиданный переход излучения вокруг чёрной дыры M87*
Международная команда астрофизиков сделала важный шаг в изучении самой загадочной среды во Вселенной — пространства непосредственно у горизонта событий сверхмассивной чёрной дыры. Объектом их пристального внимания стала знаменитая чёрная дыра в центре галактики M87, та самая, которая в 2019 году вошла в историю как первая, чью «тень» удалось сфотографировать. Теперь же исследователи пошли дальше: они впервые составили детальную карту того, как меняются свойства излучения в зависимости от расстояния до чёрной дыры, и обнаружили устойчивую закономерность, которая многое говорит о физических процессах в этом экстремальном регионе.
Для этого учёные объединили данные, полученные почти одновременно в 2018 году на двух разных длинах волн — 3.5 миллиметра (86 ГГц) и 1.3 миллиметра (230 ГГц). Наблюдения велись с помощью мощнейшей сети радиотелескопов, включающей глобальную миллиметровую РСДБ-сеть GMVA с подключением гигантского массива ALMA и телескопа в Гренландии, а также знаменитую обсерваторию Event Horizon Telescope (EHT), которая и подарила миру первое изображение тени чёрной дыры. Сравнивая два набора изображений, полученных на разных частотах, учёные смогли вычислить так называемый спектральный индекс — величину, которая показывает, как яркость излучения зависит от его частоты. Это, в свою очередь, позволяет судить о том, является ли излучение «плотным» (оптически толстым) или, наоборот, «прозрачным» (оптически тонким) для радиоволн.
И вот что выяснилось. В самом центре, в пределах кольцеобразной структуры, видимой на длине волны 1.3 мм (это примерно 20 микросекунд дуги, или, если перевести на язык привычных масштабов, область размером с Солнечную систему, но на расстоянии 55 миллионов световых лет), спектральный индекс оказался положительным и близким к единице. Это означает, что в этой зоне излучение ведет себя так, как будто исходит из «непрозрачного» источника — как если бы мы смотрели на раскалённую поверхность, скрывающую то, что находится под ней. Физики интерпретируют это как признак синхротронного самопоглощения: электроны, движущиеся по спирали в мощном магнитном поле, испускают радиоволны, но эти же волны тут же поглощаются окружающей плазмой.
Однако по мере того как мы отходим от центра, картина начинает меняться. Спектральный индекс плавно снижается, пересекает нулевую отметку в районе радиуса кольца, видимого на длине волны 3.5 мм (около 30 микросекунд дуги), и становится отрицательным на больших расстояниях. Отрицательный индекс — это признак того, что излучение становится «прозрачным»: радиоволны беспрепятственно покидают область, и мы видим более глубокие и разреженные слои плазмы. Таким образом, учёным впервые удалось наблюдать вблизи горизонта событий переход от плотного, поглощающего излучение состояния к разреженному и прозрачному, причём этот переход происходит на расстояниях, сравнимых с размером самой чёрной дыры.
Весьма примечательно, что карта спектрального индекса имеет явно выраженную кольцевую структуру, напоминающую форму изображений самой чёрной дыры. В одном из секторов кольца — на северо-западе — исследователи заметили локальное усиление спектрального индекса. Интересно, что эта область совпадает с зоной, где, как предполагается, зарождается релятивистский джет — мощная струя вещества, вырывающаяся из окрестностей чёрной дыры почти со скоростью света. Это может указывать на то, что вблизи основания джета физические условия (например, магнитное поле или плотность частиц) отличаются от окружающей среды. Однако авторы исследования призывают к осторожности: наблюдения на двух частотах велись не строго одновременно, поэтому пока нельзя с полной уверенностью утверждать, что эта аномалия реальна, а не является артефактом обработки данных. Будущие синхронные измерения должны дать окончательный ответ.
Одним из самых удивительных результатов стало то, что если усреднить спектральный индекс по всей центральной области (размером менее 100 микросекунд дуги), он оказывается почти плоским, близким к нулю (α ≈ −0.04). Это идеально согласуется с предыдущими измерениями, которые не имели пространственного разрешения. Но главная ценность новой работы именно в том, что она позволила «заглянуть» внутрь этой области и увидеть, как свойства излучения меняются от точки к точке. В более ранних наблюдениях на более низких частотах (22 и 43 ГГц) учёные видели похожий эффект, но там он был связан уже не с аккреционным диском, а с самим джетом на гораздо больших расстояниях от чёрной дыры. Теперь же эти два масштаба — горизонт событий и структура джета — начинают соединяться в единую картину.
Полученные данные имеют большое значение для теории. Современные модели, описывающие аккрецию вещества на сверхмассивные чёрные дыры (так называемые радиационно-неэффективные аккреционные потоки), предсказывают именно такую картину: чем ближе к чёрной дыре, тем более «непрозрачным» должно быть излучение на миллиметровых волнах. Более того, сравнение с компьютерными симуляциями, учитывающими общую теорию относительности и магнитогидродинамику, показывает, что наблюдаемый градиент (скорость изменения спектрального индекса с расстоянием) лучше всего соответствует моделям с определёнными параметрами, например, с высокой аккрецией и определённой степенью нагрева электронов. Это значит, что теперь у учёных появился новый инструмент — спектральное картографирование — с помощью которого они могут проверять и уточнять свои теории о том, как именно чёрная дыра питается веществом и как порождает мощнейшие космические струи.
Несмотря на впечатляющие результаты, авторы отмечают, что это только начало. Разрешение современных телескопов все ещё не позволяет разглядеть тонкие детали, например, предсказываемый теоретиками мощный всплеск спектрального индекса в районе так называемого «фотонного кольца» — области, где свет многократно огибает чёрную дыру под действием чудовищной гравитации. Этот пик сглаживается из-за ограниченного разрешения, но его поиск остаётся одной из главных целей будущих наблюдений. Учёные возлагают большие надежды на проект следующего поколения ngEHT, который начнет работать на частоте 345 ГГц, а также на космические обсерватории, такие как Black Hole Explorer и Millimetron. Они смогут обеспечить беспрецедентное угловое разрешение и, возможно, позволят напрямую увидеть те области, где гравитация и электромагнетизм сходятся в своей самой экстремальной форме.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal Letters.