Ученые cмоделировали наблюдения сверхмассивных чёрных дыр с помощью космического телескопа Миллиметрон в режиме интерферометра космос-Земля. В качестве целей они выбрали две сверхмассивные чёрные дыры с самыми большими угловыми размерами на небе. Это ядро галактики M87 и чёрная дыра в центре нашей Галактики SGR A*. Исследование показало, что несмотря на чрезвычайно большую удалённость точки L2 от наземных телескопов, такие наблюдения реализуемы, а качество получаемых изображений превосходит объединённые возможности наземных телескопов в 3-4 раза. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Модельные двумерные изображения тени черной дыры в галактике М87. Два крайних правых изображения (d) и (e) — результаты наземно-космического интерферометра Миллиметрон-Телескоп Горизонта Событий. Изображения (b) и (c) — известный результат наземного интерферометра Телескоп Горизонта Событий.
Излучение, приходящее из внутренних областей аккреционного диска сверхмассивной чёрной дыры, формирует изображение так называемой «тени чёрной дыры». Форма, которую принимает «тень», а также распределение яркости по диску зависят от массы чёрной дыры и её скорости вращения вокруг оси. В среднем, тень простирается на расстояния порядка 5 радиусов Шварцшильда. Таким образом, наблюдение областей пространства в непосредственной близости от горизонта событий сверхмассивной чёрной дыры предоставляет учёным уникальную возможность изучить поведение вещества в экстремально сильных гравитационных и магнитных полях. Также эти наблюдения дают информацию о геометрии пространства-времени в непосредственной близости от горизонта событий.
В 2019 год международная коллаборация «Телескоп горизонта событий» (EHT) представила первое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры, расположенной в галактике M87. Изображение было построено по данным радиоинтерферометрических наблюдений со сверхдлинными базами (РСДБ) восьми телескопов на длине волны 1.3 мм. Максимальное угловое разрешение, достигнутое в этих наблюдениях, составило 20 микросекунд дуги. Этого оказалось достаточно, чтобы рассмотреть «тень чёрной дыры», однако, для изучения отдельных деталей в аккреционном диске требуется более высокое угловое разрешение. Возможности «Телескопа горизонта событий» ограничиваются размерами нашей планеты, а также свойствами атмосферы, не позволяющей уменьшить длину волны, на которой ведутся наблюдения. Выходом из сложившейся ситуации становится развитие наземно-космических РСДБ-сетей.
Космический телескоп Миллиметрон, который планируется запустить в космос в 2029 г., будет работать в двух режимах. В первом «Миллиметрон» функционирует как отдельный сверхчувствительный космический телескоп с диаметром зеркала 10 метров. Его основными задачами в этом режиме станут исследования неоднородности реликтового излучения и отклонения в его спектре, изучение крупномасштабной структуры Вселенной, а также поиск воды и органических соединений в межзвёздной среде.
Второй режим предполагает работу совместно с наземными телескопами в качестве плеча интерферометра Космос-Земля. Целями для него станут очень компактные астрономические объекты, для исследования которых требуется максимально высокое угловое разрешение. В том числе и окрестности сверхмассивных чёрных дыр.
Однако существенной проблемой для интерферометрических наблюдений Миллиметрона становится его расположение. Космический телескоп будет находиться в точке либрации L2, на среднем расстоянии 1.5 миллиона километров от Земли. Это значит, что наземно-космическая база (расстояние между телескопами) примерно в сто раз превосходит наземно-наземные. При такой конфигурации интерферометра восстановленное изображение чёрной дыры выродится в почти одномерную линию, вытянувшую в направлении самой протяжённой базы. Хотя это позволяет изучать одномерные распределения яркости в аккреционном диске и так называемые «фотонные кольца» с угловым разрешением до 100 наносекунд дуги, но не даёт возможности увидеть полноценное изображение источника.
Траектория движения космического аппарата Миллиметрон в проекции на небесную сферу
В новой работе учёные показали, что несмотря на удалённость космического плеча интерферометра от наземных, при наблюдении Миллиметрона и «Телескопа горизонта событий» по-прежнему можно получать изображения высокого качества. Для этого исследователи смоделировали наблюдения Миллиметрон + EHT для двух сверхмассивных чёрных дыр в центре нашей Галактики и в центре галактики М87. Учтя чувствительность каждого телескопа, влияние атмосферных неоднородностей на наземные обсерватории и рассеяние излучения на межзвёздной плазме, исследователи определили участки орбиты космического телескопа, на которых изображение источника не вырождается в одномерную линию. Это происходит, когда Миллиметрон находится примерно на одной прямой между наблюдаемым объектом и Землёй. В течение года эта конфигурация реализуется по одному разу для каждой чёрной дыры. Качество восстановленного изображения оказывается немного хуже, чем если бы космический телескоп вращался на околоземной орбите, но в 3-4 раза выше, чем наблюдения только на наземных телескопах. Угловое разрешение на длине волны 1.3 мм составило 5 микросекунд дуги.
Новая работа впервые доказывает возможность проводить наземно-космические наблюдения из точки L2 и приводит численные оценки преимущества такой конфигурации над только наземными наблюдениями.
Публикация:
High resolution imaging of a black hole shadow with millimetron orbit around lagrange point l2.
S F Likhachev, A G Rudnitskiy, M A Shchurov, A S Andrianov, A M Baryshev, S V Chernov, V I Kostenko
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, stac079, https://doi.org/10.1093/mnras/stac079 Published: 13 January 2022
Назад
