На изображениях черной дыры изображена плазма вокруг вращающейся черной дыры с параметром вращения a = 0,3 и горячими электронами (слева) и a = 0,9 с холодными электронами (справа). Фото: CfA/Разие Эмами Мейбоди
Краеугольным камнем, но удивительным предсказанием, вытекающим из общей теории относительности Эйнштейна, является существование черных дыр, которые, как позже обнаружили астрономы, широко распространены по всей Вселенной. Ключевые характеристики черных дыр включают их массы и их «вращение» — они вращаются, хотя у них нет фактической поверхности, с горизонтом событий, который определяет, куда свет не может выйти.
Наблюдатели обнаружили черные дыры с широким диапазоном масс: от тех, что сравнимы с массой звезд, до сверхмассивных черных дыр, в миллионы или миллиарды раз превышающих массу нашего Солнца. Теперь мы знаем, что большинство крупных галактик содержат такие сверхмассивные черные дыры, хотя остаются серьезные вопросы о том, как они формируются и развиваются.
Хотя определяющей характеристикой черной дыры является ее горизонт событий, мы знаем, что свет действительно излучается из областей, находящихся сразу за горизонтом событий. Материя, вращающаяся вокруг сверхмассивных черных дыр, действительно излучает свет — от радио до гамма-лучей.
Используя массив телескопов, расположенных на Земле, Сотрудничество телескопов горизонта событий (EHTC) недавно получило изображения двух сверхмассивных черных дыр на длинах волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, улавливая излучаемый свет, исходящий от электронов, вращающихся вокруг черной дыры. Основными целями EHTC являются сверхмассивная черная дыра, находящаяся в ядре эллиптической галактики Мессье 87, а также SgrA*, живущая в самом сердце нашей галактики Млечный Путь.
EHT-изображения обоих источников показывают эмиссионные кольца, образующиеся, когда радиоволны, излучаемые близко к горизонту событий, искривляются в искривленном пространстве-времени вблизи черной дыры — масса и вращение черных дыр определяют размер и форму этих колец.
Свет, излучаемый окрестностями черной дыры, «поляризован» с четкой ориентацией в зависимости от его происхождения. На Земле мы используем поляризованные солнцезащитные очки, чтобы уменьшить блики от отраженного солнечного света, поскольку отражение от воды или лобового стекла автомобиля вызывает поляризацию света.
Недавно я возглавил группу, которая представила инновационный подход к оценке свойств черных дыр, таких как вращение, с использованием поляризации — результаты только что были опубликованы в «Астрофизическом журнале».
Мы продемонстрировали, что вращение черной дыры должно заметно менять поляризацию излучаемых радиоволн. Мы также обнаружили, что температура вращающихся электронов в плазме (газ, который настолько горячий, что все атомы лишились своих электронов), вращающейся вокруг сверхмассивной черной дыры, а также сила магнитного поля в этой области влияют на результаты, создающие сложную картину, но с новой силой, раскрывающую необнаружимые иначе характеристики черной дыры.
Доктор Рэндалл Смит, астрофизик Смитсоновской астрофизической обсерватории (САО) в Центре астрофизики | Гарвардский и Смитсоновский институт (CfA), а также мой советник и член команды отметили, что «вращение сверхмассивной черной дыры кодирует ее историю, давая подсказки о том, как она развивалась с течением времени Вселенной. Однако измерение вращения оказалось чрезвычайно трудным; новый подход с использованием радиополяризации чрезвычайно интересен, поскольку вращения черных дыр в M87 и нашей галактике Млечный Путь очень плохо известны».
Сравнение с наблюдениями EHT, полученными в 2017 году, указывает на предпочтение плазмы с сильными магнитными полями плюс умеренные электронные температуры и медленно вращающуюся черную дыру или, альтернативно, наличие холодных электронов рядом с быстро вращающейся черной дырой. Изображение в статье иллюстрирует медленно вращающуюся черную дыру с параметром вращения a = 0,3 (где a = 0 соответствует нулевому спину, а a = 1 соответствует максимально быстрому спину) и горячими электронами (слева), в отличие от быстро вращающаяся черная дыра с a = 0,9 и холодными электронами (справа).
Продолжающиеся усилия включают более количественное сравнение с наблюдениями EHT. Наша цель в ближайшем будущем — распознать вращение черной дыры, используя более совершенную микрофизику в наших симуляциях, которые уже включают эффекты общей теории относительности и сильных магнитных полей.
Шеп Долеман, астрофизик SAO в CfA, старший научный сотрудник Гарвардского университета и член команды, отмечает: «Телескоп горизонта событий следующего поколения (ngEHT) — это новый проект по улучшению EHT путем добавления новых антенн в массив и наблюдения на нескольких частотах».
Это стратегическое расширение, возможно, позволит обнаружить недавно опубликованные эффекты и сделать объективные оценки вращения черной дыры, что даст нам свежий взгляд на экстремальную среду на границе черной дыры.
Информация от: Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики.
