Астрофизики ждут революцию в наблюдениях за чёрными дырами: новое поколение телескопа EHT поможет увидеть фотонное кольцо чёрной дыры

Перспектива непосредственного наблюдения за горизонтом событий чёрных дыр, которая когда-то казалась научной фантастикой, стала реальностью благодаря Телескопу горизонта событий (EHT). EHT уже сумел разрешить горизонт событий чёрных дыр в центре Млечного Пути (Стрелец A*) и галактики M87. Теперь группа астрономов смотрит в будущее, готовясь к следующему поколению EHT, которое будет работать на нескольких частотах с большим количеством телескопов.

Новая статья предполагает, что следующее поколение EHT может даже запечатлеть фотонное кольцо — область, где свет выходит на орбиту вокруг чёрной дыры в центре Млечного Пути. Чёрные дыры — это необычные объекты, которые являются двигателями многих галактических явлений. Они имеют сложную структуру с сингулярностью в центре, точкой бесконечной плотности, где гравитация настолько сильна, что законы физики перестают работать.

Вокруг сингулярности находится горизонт событий, граница, за пределы которой ничто, даже свет, не может вырваться. Сразу за горизонтом событий находится фотонное кольцо, где свет изгибается в круговую орбиту вокруг сингулярности. Дальше находится аккреционный диск, но фокусом следующего поколения Телескопа горизонта событий будет фотонное кольцо.

Влияние рассеяния на наблюдаемую фазу поляриметрической спирали из одного кадра 345 ГГц моделирования GRMHD Sgr A*. Источник: arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2407.09750

EHT — это не один телескоп, а глобальная сеть радиотелескопов, которые работают вместе, используя технологию интерферометрии. Очень длинная база телескопа позволяет ему обладать невероятными возможностями разрешения, что позволяет запечатлеть горизонт событий вокруг Стрельца A* и чёрной дыры в центре M87.

EHT был запущен в 2009 году, но теперь внимание переключается на следующее поколение. Добавление 10 новых тарелок и целого ряда новых технологий преобразует EHT. Современные высокоскоростные протоколы передачи данных ускорят время передачи, а добавление новых тарелок и технологий будет означать, что EHT сможет вести наблюдения на частотах 86, 230 и 345 ГГц одновременно.

Это позволяет использовать методы фазового переноса частоты, где данные с более низкой частоты могут использоваться для дополнения данных с более высокой частотой. Использование этого метода будет означать время интеграции в минуты на частоте 345 ГГц, а не секунды, открывая пространство новых наблюдений, таких как фотонные кольца чёрных дыр.

Исследования сверхмассивной чёрной дыры в центре M87 и Стрельца A* предполагают наличие аккреционного диска. В этой модели аккреции аккреционный диск образует ряд нерегулярных спиральных потоков, а вертикальное магнитное поле, которое разделено на отдельные силовые линии, пронзает аккреционную плоскость. По мере вращения диска материал закручивается по спирали внутрь, увлекая силовые линии и закручивая их вокруг оси вращения, что приводит к образованию джетов.

M87 и джет из её центральной сверхмассивной чёрной дыры. Источник: NASA, ESA и Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Эти магнитно-удерживаемые диски демонстрируют симметрично поляризованное синхротронное излучение, которое использовалось группой астрономов для изучения возможности обнаружения фотонного кольца с помощью EHT следующего поколения.

Статья, авторами которой являются Кейтлин М. Шавелль и Дэниел К. М. Палумбо из Принстонского университета и Гарварда и Смитсоновского института, показывает с помощью моделирования, что запланированные усовершенствования EHT, вероятно, позволят обнаружить фотонные кольца. При анализе усовершенствований они обнаружили, что более высокая чувствительность нового EHT, вероятно, будет более критичной, чем лучшие методы обработки при обнаружении фотонного кольца.