Телескоп Event Horizon Telescope производит обнаружение черных дыр с Земли с самым высоким разрешением

Специалисты коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) провели тестовые наблюдения с самым высоким разрешением, когда-либо полученным с поверхности Земли, обнаружив свет от центров далеких галактик на частоте около 345 ГГц.

В сочетании с существующими изображениями сверхмассивных черных дыр в сердцах M87 и Sgr A на более низкой частоте 230 ГГц эти новые результаты не только сделают фотографии черных дыр на 50 % более четкими, но и позволят получить многоцветные изображения области непосредственно за границей этих космических чудовищ.

Результаты новых наблюдений, проведенных под руководством ученых из Центра астрофизики | Гарвардского и Смитсоновского университетов (CfA), в который входит Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO), опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

“С помощью EHT мы получили первые изображения черных дыр, обнаружив радиоволны на частоте 230 ГГц, но яркое кольцо, которое мы видели, образованное изгибом света под действием гравитации черной дыры, все еще выглядело размытым, поскольку мы находились на абсолютном пределе резкости изображений”, – говорит соруководитель работы Александр Реймонд, ранее работавший постдоктором в CfA, а теперь работающий в Лаборатории реактивного движения НАСА (NASA-JPL). “На частоте 345 ГГц наши изображения будут более четкими и детальными, что, в свою очередь, позволит выявить новые свойства, как те, которые были предсказаны ранее, так и, возможно, те, которые не были предсказаны”.

EHT создает виртуальный телескоп размером с Землю, соединяя вместе несколько радиотарелок по всему миру, используя технику, называемую интерферометрией с очень длинной базовой линией (VLBI). Чтобы получить изображения с более высоким разрешением, у астрономов есть два варианта: Увеличить расстояние между радиотарелками или вести наблюдения на более высокой частоте. Поскольку EHT уже был размером с нашу планету, для повышения разрешения наземных наблюдений требовалось расширить диапазон частот, что и было сделано EHT Collaboration.

“Чтобы понять, почему это прорыв, подумайте, какой всплеск дополнительных деталей вы получаете, когда переходите от черно-белых фотографий к цветным”, – сказал соруководитель работы Шеперд “Шеп” Долеман, астрофизик из CfA и SAO, а также директор-основатель EHT. Это новое “цветовое зрение” позволяет нам отделить эффекты гравитации Эйнштейна от горячего газа и магнитных полей, которые питают черные дыры и запускают мощные джеты, несущиеся на галактические расстояния”.

Призма разделяет белый свет на радугу цветов, потому что разные длины волн света проходят через стекло с разной скоростью. Но гравитация изгибает весь свет одинаково, поэтому Эйнштейн предсказывает, что размер колец, видимых EHT, должен быть одинаковым на частотах 230 ГГц и 345 ГГц, в то время как горячий газ, вращающийся вокруг черных дыр, будет выглядеть по-разному на этих двух частотах.

Это первый случай успешного применения метода VLBI на частоте 345 ГГц. Хотя возможность наблюдать ночное небо с помощью одиночных телескопов на частоте 345 ГГц существовала и раньше, использование метода VLBI на этой частоте долгое время было сопряжено с трудностями, для преодоления которых требовалось время и технологический прогресс.

Водяной пар в атмосфере поглощает волны на частоте 345 ГГц гораздо сильнее, чем на частоте 230 ГГц, ослабляя сигналы от черных дыр на более высокой частоте. Ключевым моментом было повышение чувствительности EHT, что исследователи и сделали, увеличив полосу пропускания приборов и дождавшись хорошей погоды на всех площадках.

В новом эксперименте использовались две небольшие подрешетки EHT, состоящие из Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) и Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) в Чили, 30-метрового телескопа IRAM в Испании, NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) во Франции, Submillimeter Array (SMA) на Маунакеа на Гавайях и Гренландского телескопа, чтобы провести измерения с разрешением до 19 микроарксекунд.

“Самые мощные места наблюдения на Земле находятся на больших высотах, где прозрачность и стабильность атмосферы оптимальны, но погода может быть более драматичной”, – сказал Нимеш Патель, астрофизик из CfA и SAO и инженер проекта в SMA, добавив, что в SMA для новых наблюдений пришлось преодолеть обледенелые дороги на Маунакеа, чтобы открыть массив в стабильную погоду после снежной бури с запасом минут.

“Теперь, когда появились системы с высокой пропускной способностью, которые обрабатывают и захватывают более широкие участки радиоспектра, мы начинаем преодолевать основные проблемы с чувствительностью, такие как погода. Как показывают новые обнаружения, настало время перейти на частоту 345 ГГц”, – добавил Патель.

Это достижение также является еще одной ступенькой на пути к созданию высокоточных фильмов о среде горизонта событий, окружающей черные дыры, что будет зависеть от модернизации существующей глобальной сети. Планируемый проект следующего поколения EHT (ngEHT) добавит новые антенны к EHT в оптимизированных географических местах и усовершенствует существующие станции, модернизировав их для одновременной работы на нескольких частотах от 100 ГГц до 345 ГГц.

Ожидается, что в результате этих и других модернизаций глобальный массив увеличит количество четких и ясных данных, которые EHT может получить для визуализации, в 10 раз, что позволит ученым не только создавать более детальные и чувствительные изображения, но и снимать фильмы с участием этих жестоких космических чудовищ.

“Успешное наблюдение EHT на частоте 345 ГГц является важной научной вехой”, – сказала Лиза Кьюли, директор CfA и SAO. “Расширяя границы разрешения, мы достигаем беспрецедентной четкости изображения черных дыр, которую мы обещали с самого начала, и устанавливаем новые и более высокие стандарты возможностей наземных астрофизических исследований”.