Группа учёных из России и Нидерландов оценила возможности совместной работы международной сети «Телескоп Горизонта Событий» (Event Horizon Telescope) и разрабатываемого российского космического телескопа «Миллиметрон» (Millimetron Space Observatory). Использование космической обсерватории «Миллиметрон» в качестве плеча наземно-космического интерферометра позволит значительно улучшить качество изображений сверхмассивных чёрных дыр, расположенных в нашей Галактике и в галактике M87, а также наблюдать динамику движения вещества в непосредственной близости от горизонта событий. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Излучение, приходящее от внутренних областей аккреционного диска сверхмассивной чёрной дыры, формирует изображение так называемой «тени чёрной дыры» на расстояниях порядка 5 радиусов Шварцшильда. Форма, которую принимает «тень», а также распределение яркости по диску, несут информацию о геометрии пространства-времени в непосредственной близости от горизонта событий. Таким образом, исследование чёрных дыр даёт возможность проверить теорию относительности и изучать поведение вещества при экстремальных условиях, недостижимых в лабораториях.
В апреле 2019 года международная коллаборация «Телескоп горизонта событий» 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. Во время наблюдений по программе EHT было достигнуто самое высокое угловое разрешение для наземных наблюдений – 25 микросекунд дуги. Однако дальнейшее его увеличение ограничивается размерами нашей планеты. Выходом из сложившейся ситуации становится развитие наземно-космических РСДБ-сетей.
Ранее, в рамках реализации миссии «Радиоастрон» на орбите более семи лет успешно работал 10-метровый космический радиотелескоп «Спектр-Р». Совместно с ним в режиме РСДБ наблюдало около 60 наземных радиотелескопов. Космический телескоп двигался по вытянутой орбите, с перигеем в 400 километров, и апогеем, доходящим до 330 тысяч километров. Наблюдения велись в четырёх диапазонах с опорными частотами 0.3 Ггц, 1.6 Ггц, 4.8 Ггц и 22 Ггц. На сегодняшний день на «Радиоастроне» достигнуто самое высокое угловое разрешение — 11 микросекунды дуги.
Космическая обсерватория «Миллиметрон» будет оснащена раскладываемым и охлаждаемым 10-метровым зеркалом. Планируется, что она будет располагаться в точке Лагранжа L2 и проводить наблюдения в дальнем ИК, субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Сейчас программа наблюдений предполагает два режима работы. Первый — это режим одиночного зеркала, в котором «Миллиметрон» функционирует как отдельный космический телескоп. В этом режиме он будет исследовать неоднородности реликтового излучения и отклонения в его спектре, изучать крупномасштабную структуру Вселенной, искать воду и органические соединения в межзвёздной среде. Второй режим предполагает работу совместно с наземными телескопами в качестве плеча интерферометра в диапазонах частот 33-720 Ггц. В нём будут изучаться очень компактные астрономические объекты, для исследования которых требуется максимально высокое угловое разрешение.
Однако несмотря на то, что гало-орбита в окрестности точки L2 очень удобна для режима одиночного зеркала, восстановление изображений, полученных на наземно-космическом интерферометре, сопряжено с определенными трудностями. С связи с этим проект «Миллиметрон» сейчас предусматривает, как один из вариантов оптимизации научной программы, после окончания наблюдений в режиме одиночного зеркала, возврат космического аппарата из L2 с помощью гравитационного манёвра около Луны.
В новом исследовании астрономы оценили качество восстановленных изображений для высокоэллиптической околоземной орбиты космического аппарата, на которую он может перейти при возвращении из точки L2. В качестве наземного плеча интерферометра рассматривались все телескопы, входящие в коллаборацию «Телескопа горизонта событий» на данный момент. Учёные смоделировали наблюдения двух сверхмассивных чёрных дыр с самыми большими угловыми размерами на небе — это чёрная дыра в центре нашей Галактики, а также в ядре галактики M87. Частота промоделированных наблюдений составила 230 Ггц (1.3 мм), ширина полосы — 2 Ггц, а полное время наблюдений для построения изображения составило 15 часов. Такое время наблюдения было выбрано, поскольку объём бортовой памяти ограничен 100 Тб. Полное время наблюдения разбивалось на 5400 отдельных наблюдательных сеансов длительностью по 10 секунд. Временное ограничение отдельного сеанса было выбрано из-за атмосферных неоднородностей, нарушающих когерентность сигнала на длительных интервалах времени.
Результаты моделирования изображений тени черной дыры галактики M87. Слева представлено изображение, полученное Телескопом Горизонта Событий (EHT), справа — изображение, полученное при проведении совместных наблюдений Миллиметрона с Телескопом Горизонта Событий.
Для M87 использовался участок орбиты в районе перигея, на котором в течение 20 часов проекция базы интерферометра изменяется с 0.5 до 6 диаметров Земли. Для Sgr A* продолжительность наблюдения составила 10 дней, что соответствует одному орбитальному периоду обращения космического телескопа. Поскольку оба источника находятся в разных областях небесной сферы, орбита была выбрана таким образом, чтобы обеспечить наилучшее UV-покрытие на протяжении всего десятидневного периода для Sgr A* и хорошую видимость для M87 при проекции базы до 5 диаметров Земли.
Исследование показало, что совместная работа «Телескопа горизонта событий» и «Миллиметрона» позволит более чем в 6 раз увеличить угловое разрешение достигнув рекордных 4 микросекунды дуги, а также в 10 раз улучшить качество восстановленных изображений сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87. Такой точности будет уже достаточно для того, чтобы, анализируя форму тени чёрной дыры и распределение яркости во внутренних областях её аккреционного диска, непосредственно исследовать геометрию пространства-времени и поведение вещества в экстремальном состоянии в непосредственной окрестности горизонта событий.
Также совместные наблюдения позволят построить динамические изображения Sgr A*. Масса чёрной дыры в центре нашей Галактики почти на 3 порядка меньше, чем в M87. Из-за этого источник обладает куда более высокой переменностью во времени, что затрудняет его интерферометрические наблюдения и построение изображения только наземными обсерваториями. Но за счёт высокой скорости движения космического телескопа по орбите в районе перигея, проекция базы меняется с 0.1 до 1.0 диаметра Земли всего за 20 минут. Это позволяет восстановить серию изображений с временным интервалом порядка 220 секунд, и не даст полученной картине «замыться» из-за движения неоднородностей вещества в непосредственной близости от чёрной дыры. Таким образом, учёные смогут непосредственно наблюдать динамику движения вещества в центре галактики на очень малых временных масштабах.
Результаты моделирования динамических наблюдений центра Галактики (Sgr A*). Серия из шести кадров, длительность каждого около 221 секунды.
Новая работа демонстрирует эффективность совместных наблюдений наземной сети EHT и космической обсерватории «Миллиметрон» в исследовании чёрных дыр и свойств пространства-времени в ближайших к ним окрестностях.
Назад
