Коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала новые изображения M87*, полученные в результате наблюдений в апреле 2018 года, через год после первых наблюдений в апреле 2017 года. Новые наблюдения 2018 года, в которых впервые участвует Гренландский телескоп, показывают знакомую, яркую кольцо излучения того же размера, что мы нашли в 2017 году. Это яркое кольцо окружает темную центральную тень, а самая яркая часть кольца в 2018 году сместилась примерно на 30° относительно 2017 года и теперь лежит в положении 5 часов. Кредит: Сотрудничество EHT
Почти пять лет назад команда астрономов, охватывающая весь земной шар, впервые дала миру возможность увидеть черную дыру. Теперь команда подтвердила как свои первоначальные выводы, так и наше понимание черных дыр новым изображением сверхмассивной черной дыры M87*. Эта сверхмассивная черная дыра, масса которой в 6,5 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца, находится в центре галактики Мессье 87 (M87) в скоплении галактик Девы, расположенном на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли.
Новое изображение, как и старое, было получено Телескопом горизонта событий (EHT) — комплексом радиотелескопов, раскинувшихся по всей планете. Однако эти новые данные были собраны годом позже, в 2018 году, и они были улучшены благодаря усовершенствованиям массива телескопов, в частности, благодаря включению телескопа в Гренландии.
Исходное изображение M87*, полученное EHT, было важным не только потому, что оно представляло собой первый раз, когда люди сфотографировали черную дыру, но и потому, что объект выглядел так, как и должен был выглядеть. Примечательно, что на изображении видно так называемую тень черной дыры — темную область в центре светящегося диска горячей материи, окружающего черную дыру. Тень черной дыры — это не тень в том смысле, в каком вы отбрасываете ее, выходя на улицу в солнечный день. Вместо этого темная область создается огромным гравитационным полем черной дыры, которое настолько сильное, что свет не может покинуть его. Поскольку свет не покидает черную дыру, она кажется темной.
Кроме того, эта сильная гравитация искривляет свет, который проходит рядом с черной дырой, но не попадает в нее, эффективно действуя как линза. Это известно как гравитационное линзирование, и оно создает световое кольцо, которое можно увидеть независимо от угла, под которым рассматривается черная дыра. Оба этих эффекта были предсказаны общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Поскольку изображение M87* демонстрирует эти эффекты, оно является убедительным доказательством правильности общей теории относительности и нашего понимания физики черных дыр.
Это новое изображение M87* было создано при активном участии группы изображений из Калифорнийского технологического института, в том числе профессора Кэтрин (Кэти) Л. Бауман, доцента кафедры вычислительной техники и математических наук, электротехники и астрономии; бывший доктор философии Калифорнийского технологического института. студентка Нитика Ядлапалли Юрк, доктор философии; и нынешний научный сотрудник Калифорнийского технологического института в области вычислительных и математических наук Авиад Левис.
Бауман является координатором рабочей группы EHT Imaging, а также научным сотрудником Гарвардского Смитсоновского центра астрофизики и соруководителем группы EHT изображений, когда исходное изображение было опубликовано в 2019 году. В этой роли она помогла разработать алгоритмы, которые собрал массу данных, собранных несколькими радиотелескопами EHT, в одно связное изображение. Придя на факультет Калифорнийского технологического института, Бауман, которая также является стипендиатом Розенберга и исследователем Медицинского исследовательского института наследия, продолжила свою работу в EHT. Она также была соавтором изображения сверхмассивной черной дыры Млечного Пути, опубликованного в 2022 году.
Юрк присоединился к коллаборации EHT в 2020 году и играл активную роль в команде по созданию изображений для последнего изображения M87*. Ее основной вклад включал разработку синтетических наборов данных, которые будут использоваться при обучении и проверке алгоритмов визуализации. Юрк также написал программное обеспечение, которое использовалось при поиске изображений-кандидатов. Недавно она была отмечена EHT за свои усилия по получению докторской степени. Награда за диссертацию за достижения, которые она внесла в создание и проверку самого последнего изображения M87*. В настоящее время она является научным сотрудником постдокторской программы НАСА в Лаборатории реактивного движения, которой Калифорнийский технологический институт управляет для НАСА.
Получение изображений такого объекта, как M87*, с помощью EHT сильно отличается от изображений таких планет, как Сатурн, с помощью обычного телескопа. Вместо того, чтобы видеть свет, EHT наблюдает радиоволны, излучаемые объектами, и должен вычислительно объединить информацию, чтобы сформировать изображение.
«Необработанные данные, которые получают эти телескопы, по сути, представляют собой просто значения напряжения», — говорит Юрк. «Мне нравится описывать радиотелескопы как самые чувствительные в мире вольтметры, и они очень точно измеряют напряжение в разных частях неба».
Превратить эти значения напряжения в изображение сложно, говорит Боуман, поскольку информация, с которой работают исследователи, неполна, и изображение не с чем сравнивать, поскольку никто не видел M87* собственными глазами.
«Мы не хотим включать наши ожидания относительно того, как должна выглядеть черная дыра, когда мы формируем изображение с помощью вычислений», — говорит Бауман. «В противном случае это может привести нас к изображению, которое мы ожидаем, а не к изображению, отражающему реальность».
Чтобы избежать этой проблемы, исследователи тестируют свои алгоритмы обработки изображений с так называемыми синтетическими данными — набором смоделированных изображений с простыми геометрическими формами. Эти данные проходят через алгоритмы для создания изображения. Если выходное изображение соответствует входному, они знают, что алгоритм работает правильно, и смогут точно увидеть удивительные структуры вокруг черной дыры.
Бауман говорит, что этот процесс, одним из руководителей которого был Юрк, включал изучение сотен тысяч параметров для оценки эффективности алгоритмов при восстановлении различных структур изображений. Команда обнаружила, что с добавлением гренландского телескопа к EHT методы более точно восстанавливают особенности изображений.
В результате процесса было получено изображение M87*, которое лишь немного отличается от первого. Наиболее очевидное отличие состоит в том, что самая яркая часть светящегося кольца, окружающего M87*, сместилась примерно на 30 градусов против часовой стрелки. Согласно EHT, это движение, вероятно, является результатом турбулентного потока материи вокруг черной дыры. Важно отметить, что кольцо осталось того же размера, что и предсказывалось общей теорией относительности.
Боуман добавляет, что способность команды создать еще одно изображение M87* с новыми данными, которое так близко согласуется с предыдущим изображением, впечатляет.
«Я думаю, что люди спросят: «Почему это важно? Вы уже показывали изображение M87*». Другие группы воспроизвели изображение M87* на основе данных, полученных в 2017 году. «
Информация от: Калифорнийским технологическим институтом
