Учёные из Астрокосмического центра ФИАН продемонстрировали две новые методики наблюдения фотонных колец в непосредственной окрестности тени сверхмассивной чёрной дыры в субмиллиметровом диапазоне. Астрофизики показали, что исследования вспышек в фотонных кольцах дают уникальную возможность проверки теории относительности в экстремальных условиях, а также позволяют определять основные свойства чёрных дыр, такие как масса и скорость вращения. Это способы наблюдений будут доступны на космическом телескопе Миллиметрон в режиме интерферометра космос-Земля, а также для разрабатываемой наземной сети телескопов ngEHT (next generation EHT). Исследование опубликовано в журнале Physical Review.
Двигаясь по орбите, горячая плазма аккреционного диска испускает фотоны, которые могут быть захвачены тяготением чёрной дыры. В этом случае они могут совершить несколько оборотов по квазистабильной орбите, после чего либо попадут под горизонт событий, либо, наоборот, улетят бесконечно далеко. Эти фотоны, долетев до наблюдателя, образуют сложную картину из ярких колец, вложенных одно в другое, с убывающей яркостью от внешних к внутренним. Фотоны, пришедшие непосредственно от диска, формируют его прямое изображение. Фактически, это самое внешнее кольцо, обозначенное номером n=0. Фотоны, сделавшие пол-оборота по орбите, соответствуют следующему внутреннему кольцу с номером n=1, полный оборот — следующее кольцо с номером n=2 и так далее. Вид и яркость этих фотонных колец зависят от параметров чёрной дыры, например, её массы и скорости вращения. Также параметры колец будут отражать свойства самого пространства вблизи мощных гравитационных полей. Это открывает учёным уникальную возможность проверки теории относительности и поиска возможных проявлений новой физики.
Упрощенная модель (не в масштабе) геометрически тонкого диска вокруг керровской черной дыры и изображение фотонных колец в картинной плоскости. Радиус внутреннего диска установлен равным rin = 8rg, радиус внешнего диска равен rout = 45rg. Изображение в картинной плоскости будет состоять из аккреционного диска (n=0) и фотонных колец (n=1,2,3).
Международная коллаборация «Телескоп горизонта событий» (EHT) в 2019 и 2022 года опубликовала изображения двух сверхмассивных чёрных дыр. Это были объекты в ядре галактики M87 и в центре нашей Галактики. Угловое разрешение во время этих наблюдений составило 25 микросекунд дуги. Этого 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 наблюдения. Развитие наземно-космических РСДБ-сетей, в частности, совместные наблюдения EHT с обсерваторией Миллиметрон, позволит повысить угловое разрешение на восстановленном изображении в 6-10 раз. Однако для уверенного наблюдения колец, создаваемых фотонами, которые совершили более одного витка по орбите, желательна ещё большая разрешающая способность.
Космический телескоп Миллиметрон, располагающийся на расстоянии порядка 1.5 миллиона километров от Земли, позволяет использовать особую конфигурацию наблюдений, при которой достигается огромное угловое разрешение до 40 наносекунд дуги. Тем не менее, вся получаемая картина вырождается практически в одномерный срез вдоль самой длинной проекции базы интерферометра. Теоретически, такой режим наблюдений позволил бы обнаружить признаки фотонных колец по характерным изменениям яркости возле тени чёрной дыры. Но, по оценкам учёных из Астрокосмического центра, яркость каждого следующего кольца составляет всего 4-13% от яркости предыдущего. В итоге высокие порядки колец могут оказаться слишком тусклыми для возможностей тандема EHT-Миллиметрон.
Однако в новой работе российские астрофизики показали: несмотря на это ограничение, Миллиметрон позволяет наблюдать кольца по крайней мере с n=2 и 3. Дело в том, что во внутренних областях аккреционного диска периодически происходят вспышки, появляющиеся в рентгеновском, ближнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазоне. Природа их до конце не ясна, но, возможно, они возникают в результате выделения энергии при перезамыкании магнитных полей в самых внутренних областях диска вокруг чёрной дыры.
Промоделировав вспышки в аккреционном диске вокруг чёрных дыр различной массы и скорости вращения, учёные показали, что фотоны поочерёдно будут подсвечивать каждое фотонное кольцо, вызывая как бы серию последовательных субвспышек убывающей интенсивности. Яркость источника в момент вспышки может повыситься в два раза. Но, учитывая компактность вспыхивающей области на диске и особенности наблюдений в режиме наземно-космического интерферометра, фотонные кольца во время вспышки становятся ярче почти на два порядка. Фактически, вспышка делает кольца хорошо различимыми для наблюдений с помощью интерферометра! Временной интервал между вспышками примерно соответствует половине периода обращения фотонов по орбите вокруг чёрной дыры. Анализируя параметры субвспышек, такие как их яркость, временные задержки и пространственное распределение, учёные получат уникальную возможность непосредственно анализировать фотонные кольца.
Слева РСДБ изображение вспышки в аккреционном диске Sgr A* и ее эхо в первом и втором фотонном кольце. Модельное изображение на сети ngEHT, время наблюдения 30 минут. Справа зависимость спина ЧД от угла между изображениями.
Вторая методика позволяет восстанавливать параметры колец по наземным наблюдениям сети телескопов ngEHT. Благодаря большому количеству одновременно участвующих в наблюдении телескопов ngEHT, становится возможным довольно точно восстановить пространственное распределение субспышек в области вокруг чёрной дыры. Проанализировав пространственную структуру субвспышек и время задержки между ними, учёные получают возможность восстановить и параметры фотонных колец, а значит, и самой чёрной дыры.
Новая работа показывает принципиальную возможность получать информацию о самых близких к чёрной дыре областях пространства с помощью наблюдений на космической обсерватории Миллиметрон, а также на наземной сети телескопов нового поколения ngEHT.
Назад
