Сверхмассивные черные дыры — неуловимые существа. Массивные гравитационные чудовища, которые могут питать невероятно яркие квазары или тихо скрываться среди ярких звезд в ядре галактики. В основном мы изучаем их косвенно через их яркие аккреционные диски или мощные струи плазмы, которые они создают, но мы смогли наблюдать их более непосредственно, например, на наших изображениях M87* и Sag A*. Но что до сих пор ускользает от нас, так это получение прямого изображения загадочного фотонного кольца. Новая работа в Акта Астронавтика предлагает, как это можно сделать.
Черные дыры — это не что иное, как искаженная структура пространства и времени. Они определяются наличием горизонта событий, который представляет собой замкнутую границу поверхности, через которую свет может пересечь только один раз. Это точка невозврата. Все, что пересекает горизонт событий черной дыры, навсегда остается в ее гравитационной ловушке. Но рядом с черной дырой есть и другие определяющие структуры, такие как фотонная оболочка. Это внутренний предел стабильных круговых орбит фотонов. Теоретически свет в фотонной оболочке может вращаться вокруг черной дыры вечно, хотя на самом деле небольшие гравитационные флуктуации могут сделать орбиты нестабильными с течением времени. Если горизонт событий имеет радиус R, то фотонная оболочка имеет радиус 1,5R.
Мы не можем непосредственно наблюдать горизонт событий или фотонную оболочку, но можем наблюдать следующую ближайшую особенность. Это кольцо, известное как фотонное кольцо, представляет собой тонкий круг света, созданный фотонами, которые так близко задели черную дыру, что их траектории отклоняются прямо к нам. Для простой черной дыры фотонное кольцо имеет радиус около 2,6R. Для реальной вращающейся черной дыры все немного сложнее, поскольку вращение черной дыры увеличивает энергию фотона в направлении вращения, но в любом случае фотонное кольцо является ближайшей структурой черной дыры, которую мы можем наблюдать из расстояние. Таким образом, это может многое рассказать нам о черных дырах и о том, точна ли теория гравитации Эйнштейна.
Фотонное кольцо M87* запечатлено на EHT-изображениях черной дыры, которые мы имеем в настоящее время, но оно нечеткое. Некоторые исследования утверждают, что мы можем извлечь данные о фотонных кольцах из фона, но это оспаривается. Основная проблема с захватом фотонного кольца заключается в том, что ток находится на пределе разрешения. Нам пришлось сделать все возможное, чтобы получить размытые изображения M87* и Sag A*, которые у нас есть. Есть планы построить телескоп горизонта событий следующего поколения (ngEHT) с большим количеством обсерваторий и более чувствительными детекторами, но даже этого может быть недостаточно, чтобы увидеть фотонное кольцо.
Итак, это новое исследование предлагает совокупность космических интерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ). Антенны могут быть размещены на широкой околоземной орбите или на орбите точки Лагранжа L2 между Землей и Луной. Без вмешательства земной атмосферы приемники этого созвездия могли бы улавливать радиосвет на более коротких длинах волн, чем наземные обсерватории. Разместив антенны на эллиптических орбитах, можно достичь эффективной базовой линии, намного превышающей диаметр Земли. Обе эти функции позволят астрономам получать изображения M87* и Sag A* с высоким разрешением и наблюдать их фотонные кольца. Предлагаемый телескоп также сможет получать изображения с более низким разрешением других сверхмассивных черных дыр, например, в галактике Андромеды.
Это исследование является подтверждением концепции. Пройдут десятилетия, прежде чем мы сможем построить такой телескоп, и есть несколько инженерных проблем, которые необходимо решить для достижения такой конструкции. Но над этими идеями стоит задуматься. Фотонное кольцо — это Святой Грааль астрономии черных дыр, и мы поймаем его только в том случае, если постараемся достичь большего, чем до сих пор.
Ссылка: Хадсон, Бен и др. «Орбитальные конфигурации космических интерферометров для изучения фотонных колец сверхмассивных черных дыр». Акта Астронавтика (2023).
