Физика горизонта событий: получена первая спектральная карта черной дыры M87*

Исторический релиз Телескопа горизонта событий 2019 года показал дебютный снимок объекта M87*. На кадрах из удаленной эллиптической системы проступило замкнутое излучающее кольцо, окаймляющее центральную область полной непрозрачности — тени черной дыры.

Однако то историческое изображение было получено на одной фиксированной частоте радиоволн. Оно зафиксировало геометрическую форму источника, но не дало исчерпывающих ответов о физическом состоянии вещества вокруг объекта. Одночастотный кадр не позволяет точно рассчитать плотность газа, его температуру и характер движения частиц.

Для того чтобы понять, как работает окружение черной дыры — как именно вещество падает на объект и как формируются гигантские струи плазмы (джеты), улетающие в космос со скоростью, близкой к скорости света, — необходимо изучать излучение одновременно на разных частотах.

Ответ на эту задачу нашли Шань-Шань Чжао, Ру-Сень Лу и их коллеги, представившие свои результаты на страницах The Astrophysical Journal Letters. Совместив радиоданные двух частот, авторы впервые сформировали детальный физический профиль плазменного свечения прямо у границы M87*.

Физика излучения в экстремальных условиях

Черная дыра M87* имеет массу, превышающую массу Солнца в 6,5 миллиарда раз. Вокруг этого сверхмассивного объекта вращается диск из газа, разогретого до миллиардов градусов. При таких экстремальных температурах атомы распадаются на электроны и ионы, образуя намагниченную плазму.

Мощные магнитные поля вблизи черной дыры заставляют электроны двигаться по спиральным траекториям с околосветовыми скоростями. При таком ускоренном движении электроны испускают так называемое синхротронное излучение. Именно эти радиоволны регистрируют наземные телескопы.

Однако плазма вблизи черной дыры не только излучает радиоволны, но и может сама же их поглощать. Это физическое явление называется синхротронным самопоглощением. Степень поглощения зависит от двух ключевых факторов: плотности плазмы и частоты радиоволн.

• Влияние плотности: чем выше плотность плазмы, тем чаще излученные радиоволны взаимодействуют с другими электронами и поглощаются обратно.
• Влияние частоты: чем выше частота радиоволн (и, соответственно, короче длина волны), тем легче излучение проходит сквозь плотный газ. Чем ниже частота (длиннее волна), тем сильнее плазма поглощает это излучение.

Из этого физического правила следует важный вывод. В областях с очень высокой плотностью плазма становится непрозрачной для низкочастотных радиоволн. В таком случае радиотелескопы способны зафиксировать только самые внешние слои газа. Если же переключить наблюдение на более высокую частоту, радиоволны свободно проходят сквозь газ, позволяя исследователям заглянуть в глубокие внутренние слои, расположенные вплотную к горизонту событий.

Что такое спектральный индекс и как его измеряют

Чтобы количественно описать степень прозрачности плазмы, физики используют параметр, который называется спектральным индексом (его обозначают греческой буквой альфа). Спектральный индекс показывает, как меняется интенсивность (яркость) излучения при переходе от одной частоты наблюдения к другой.

Значение спектрального индекса напрямую указывает на состояние среды:

1. Положительный спектральный индекс: означает, что на высокой частоте источник выглядит ярче, чем на низкой. Это характерный признак плотной и непрозрачной плазмы (в физике её называют оптически толстой средой). В такой среде низкочастотное излучение эффективно гасится самопоглощением, а наружу вырываются только высокочастотные волны.
2. Отрицательный спектральный индекс: означает, что с ростом частоты яркость падает. Это происходит в разреженной и прозрачной плазме (оптически тонкая среда), где радиоволны любых частот свободно выходят наружу без существенных потерь.
3. Нулевой спектральный индекс: показывает, что яркость одинакова на разных частотах. Это пороговое состояние, обозначающее точную границу между непрозрачным и прозрачным состоянием вещества.

Ранее астрофизики могли измерить только общий, средний спектральный индекс для всего региона вокруг M87*. Новая работа впервые позволила выстроить двухмерную карту и узнать значение показателя альфа в каждой конкретной точке пространства вокруг черной дыры.

Методика объединения данных с разных телескопов

Чтобы построить спектральную карту, исследователи использовали результаты наблюдений, проведенных в апреле 2018 года двумя независимыми системами радиотелескопов:

• Сеть EHT (Телескоп горизонта событий): вела съемку на 230 ГГц, что соответствует длине волны 1,3 мм.
• Объединенный массив GMVA: вместе с комплексами ALMA и Гренландским телескопом принял данные на 86 ГГц (3,5-миллиметровый диапазон).

Сведение этих данных в единую карту потребовало решения сложных математических и методических задач. Наблюдения на разных частотах дают изображения с разной степенью четкости (пространственным разрешением). Кадр на длине волны 1,3 мм имеет более высокое разрешение, чем кадр на 3,5 мм.

Для корректного попиксельного сравнения двух изображений ученые выполнили следующие шаги:

1. Выравнивание по центрам: ученые определили положение центра тяжести черной дыры на обоих изображениях с точностью до нескольких микросекунд дуги и выровняли кадры относительно единого гравитационного центра.
2. Математическое сглаживание: чтобы устранить артефакты, связанные с разницей в четкости телескопов, оба изображения обработали математическим фильтром. В результате оба кадра были приведены к единому общему разрешению в 30 микросекунд дуги.
3. Попиксельный расчет: для каждого пикселя сглаженных изображений ученые сопоставили интенсивность излучения на частотах 86 и 230 гигагерц, после чего рассчитали локальное значение спектрального индекса.

Результаты: структура плазмы от центра к периферии

Сформированное изображение показало упорядоченное строение газа у центрального объекта. Исследователи зафиксировали выраженный радиальный тренд: показатель спектрального индекса плавно падает по мере движения от внутреннего края к периферии.

Детальный анализ зон:

• Внутренняя зона: вплотную к границе гравитационного захвата значение альфа достигает максимальных плюсовых отметок. Данный факт подтверждает, что центральный газ диска спрессован до состояния высокой оптической толщины. Сигналы 3,5 мм гасятся внутри объема, а поток 1,3 мм свободно проходит сквозь него.
• Переходная зона: на расстоянии около 30 микросекунд дуги спектральный индекс снижается до нуля. Здесь вещество меняет свое состояние с непрозрачного на прозрачное. Данная отметка напрямую пересекается с контуром излучающей окружности, запечатленной на частоте 86 ГГц (3,5 мм).
• Внешняя зона: при отходе от центрального тела профиль излучения демонстрирует устойчивое падение ниже нуля — вплоть до минус 1,5. Разреженный газ на окраинах диска оказывается полностью проницаемым для радиоволн.

Объяснение разницы в размерах радиоколец

Полученная спектральная карта позволила разрешить важную физическую загадку, касающуюся геометрии M87*. На снимках Телескопа горизонта событий (длина волны 1,3 мм) радиус светящегося кольца равен примерно 22 микросекундам дуги. На снимках глобальной сети (длина волны 3,5 мм) радиус кольца существенно больше — около 32 микросекунд дуги.

Причина этого различия кроется именно в частотной зависимости прозрачности плазмы:

• Излучение на частоте 230 гигагерц (1,3 мм) слабо подвержено самопоглощению. Оно свободно проходит сквозь плотный газ центральных областей. Поэтому телескопы на этой частоте фиксируют кольцо, расположенное вплотную к горизонту событий.
• Излучение на частоте 86 гигагерц (3,5 мм) эффективно поглощается плотным газом в центре. Оно не может вырваться из самых глубоких областей аккреционного диска. Данный диапазон фиксируется приемниками лишь на существенном отдалении от горизонта событий, когда концентрация газа опускается до порога прозрачности. Именно поэтому в 3,5-миллиметровом канале диаметр излучающей структуры выглядит крупнее.

Значение результатов для фундаментальной физики

Измеренный градиент изменения спектрального индекса был сопоставлен с теоретическими расчетами. Ученые сравнили полученные данные с результатами компьютерного моделирования движения плазмы в сильных гравитационных полях (общерелятивистская магнитогидродинамика).

Сравнение показало, что наблюдаемый спектральный профиль точно соответствует теоретическим моделям, в которых газ падает на черную дыру в режиме так называемого магнитосвязанного диска или стандартной аккреции, при условии присутствия в плазме некоторого количества ускоренных высокоэнергетических электронов.

Кроме того, создание спектральной карты открывает путь к решению ключевой задачи общей теории относительности — однозначному выделению фотонного кольца.

Согласно расчетам Альберта Эйнштейна, вокруг любой черной дыры должно существовать узкое, чрезвычайно яркое кольцо, образованное фотонами, которые совершили один или несколько оборотов вокруг объекта по замкнутым орбитам перед тем, как улететь к наблюдателю.

Построенный профиль прозрачности позволяет алгоритмически отфильтровать свечение аккреционного диска. Вычтя плазменный шум, астрофизики смогут обнажить неизменную подпись фотонного кольца, что откроет путь к фундаментальной проверке эйнштейновских уравнений гравитации.

Перспективы исследований

Построение первой пространственно разрешенной спектральной карты M87* обозначает переход астрофизики черных дыр от этапа получения снимков общего вида к количественной диагностике физических процессов у горизонта событий.

Однако разрешающая способность наземных радиотелескопов ограничена физическими размерами Земли. Для более детального изучения плазмы международные научные группы разрабатывают проекты следующего поколения:

1. Расширение спектрального диапазона: Переход к наблюдениям на еще более высоких частотах (например, 345 гигагерц или 0,87 миллиметра) позволит заглянуть в еще более глубокие слои аккреционного диска.
2. Космическая радиоинтерферометрия: Вывод отдельных радиотелескопов на околоземные и высокоэллиптические орбиты в рамках международных проектов, таких как Black Hole Explorer и «Миллиметрон», позволит создать интерферометры с виртуальным размером, превышающим диаметр Земли.

Сочетание космических аппаратов и наземных наблюдательных сетей позволит ученым измерить параметры пространства-времени на границе черной дыры с точностью до единиц микросекунд дуги.

Источник: The Astrophysical Journal Letters