Телескоп Event Horizon Telescope обнаруживает черные дыры с самого высокого разрешения с Земли

Сотрудничество Event Horizon Telescope (EHT) провело первые обнаружения интерферометрии с очень длинной базой (VLBI) на частоте 345 ГГц с поверхности Земли. В новом эксперименте использовались два небольших подмассива EHT, состоящие из ALMA и Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) в Чили, 30-метрового телескопа IRAM в Испании, NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) во Франции, Submillimeter Array (SMA) на Мауна-Кеа на Гавайях и Гренландского телескопа, для проведения измерений с разрешением до 19 микросекунд дуги. Автор: CfA/SAO, Mel Weiss

Сотрудничество в рамках проекта Event Horizon Telescope (EHT) провело тестовые наблюдения, достигнув самого высокого разрешения, когда-либо полученного с поверхности Земли, обнаружив свет из центров далеких галактик на частоте около 345 ГГц.

В сочетании с существующими изображениями сверхмассивных черных дыр в центрах M87 и Sgr A на более низкой частоте 230 ГГц эти новые результаты не только сделают фотографии черных дыр на 50% более четкими, но и предоставят многоцветные изображения области, расположенной непосредственно за пределами границ этих космических монстров.

Новые открытия, проведенные под руководством ученых из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA), куда входит Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO), опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

«С EHT мы увидели первые изображения черных дыр, обнаружив радиоволны на частоте 230 ГГц, но яркое кольцо, которое мы увидели, образованное изгибом света в гравитации черной дыры, все еще выглядело размытым, потому что мы находились на абсолютных пределах того, насколько резкими мы могли сделать изображения», — сказал соруководитель статьи Александр Рэймонд, ранее постдокторант в CfA, а теперь в Лаборатории реактивного движения NASA (NASA-JPL). «На частоте 345 ГГц наши изображения будут более четкими и подробными, что, в свою очередь, вероятно, откроет новые свойства, как те, которые были предсказаны ранее, так и, возможно, некоторые, которые не были предсказаны».

Параллельные смоделированные изображения M87* показывают улучшение четкости и разрешения от 230 ГГц до 345 ГГц. Эти улучшения позволяют ученым точнее измерять размер и форму черных дыр. Автор: EHT, D. Pesce, A. Chael

EHT создает виртуальный телескоп размером с Землю, связывая вместе несколько радиотарелок по всему миру, используя технику, называемую интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI). Чтобы получить изображения с более высоким разрешением, у астрономов есть два варианта: увеличить расстояние между радиотарелок или вести наблюдения на более высокой частоте. Поскольку EHT уже был размером с нашу планету, для повышения разрешения наземных наблюдений требовалось расширить его частотный диапазон, и именно это сейчас и сделала Коллаборация EHT.

«Чтобы понять, почему это прорыв, подумайте о всплеске дополнительной детализации, который вы получаете при переходе от черно-белых фотографий к цветным», — сказал соруководитель статьи Шеперд «Шеп» Доулман, астрофизик из CfA и SAO, а также директор-основатель EHT. «Это новое «цветное зрение» позволяет нам отделить эффекты гравитации Эйнштейна от горячего газа и магнитных полей, которые питают черные дыры и запускают мощные струи, которые струятся на галактические расстояния».

Призма расщепляет белый свет на радугу цветов, потому что разные длины волн света проходят через стекло с разной скоростью. Но гравитация изгибает весь свет одинаково, поэтому Эйнштейн предсказывает, что размер колец, видимых EHT, должен быть одинаковым как на 230 ГГц, так и на 345 ГГц, в то время как горячий газ, закручивающийся вокруг черных дыр, будет выглядеть по-разному на этих двух частотах.

Это составное смоделированное изображение показывает, как M87* видно с помощью Event Horizon Telescope на частотах 86 ГГц (красный), 230 ГГц (зеленый) и 345 ГГц (синий). Чем выше частота, тем четче становится изображение, выявляя структуру, размер и форму, которые ранее были менее различимы. Автор: EHT, D. Pesce, A. Chael

Это первый случай успешного использования техники VLBI на частоте 345 ГГц. Хотя возможность наблюдать ночное небо с помощью отдельных телескопов на частоте 345 ГГц существовала и раньше, использование техники VLBI на этой частоте долгое время представляло трудности, преодоление которых требовало времени и технологических достижений.

Водяной пар в атмосфере поглощает волны на частоте 345 ГГц гораздо сильнее, чем на частоте 230 ГГц, ослабляя сигналы от черных дыр на более высокой частоте. Ключевым моментом было повышение чувствительности EHT, что исследователи и сделали, увеличив полосу пропускания приборов и дождавшись хорошей погоды на всех участках.

В новом эксперименте использовались две небольшие подрешетки EHT, состоящие из Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (ALMA) и Атакамского телескопа Pathfinder EXperiment (APEX) в Чили, 30-метрового телескопа IRAM в Испании, Северного расширенного миллиметрового массива (NOEMA) во Франции, субмиллиметровой решетки (SMA) на Маунакеа на Гавайях и Гренландского телескопа, — для проведения измерений с разрешением до 19 угловых микросекунд.

«Самые мощные места для наблюдений на Земле находятся на больших высотах, где прозрачность и стабильность атмосферы оптимальны, но погода может быть более драматичной», — сказал Нимеш Патель, астрофизик из CfA и SAO, а также инженер проекта в SMA, добавив, что в SMA для проведения новых наблюдений пришлось преодолевать обледенелые дороги в Маунакеа, чтобы открыть массив в стабильную погоду после снежной бури, когда оставалось всего несколько минут.

«Теперь, с помощью систем с высокой пропускной способностью, которые обрабатывают и захватывают более широкие полосы радиоспектра, мы начинаем преодолевать основные проблемы с чувствительностью, такие как погода. Как показывают новые обнаружения, настало время перейти на частоту 345 ГГц», — добавил Патель.

Слева, это составное смоделированное изображение показывает, как M87* видно с помощью Event Horizon Telescope на частотах 86 ГГц (красный), 230 ГГц (зеленый) и 345 ГГц (синий). Справа, 345 ГГц показано темно-синим цветом, более компактное и четкое изображение сверхмассивных черных дыр, за ним следует 230 ГГц в зеленом цвете и 86 ГГц в красном цвете. Чем выше частота, тем четче становится изображение, показывая структуру, размер и форму, которые ранее были менее различимы. Автор: EHT, D. Pesce, A. Chael

Это достижение также обеспечивает еще один шаг на пути к созданию высококачественных фильмов об окружении горизонта событий вокруг черных дыр, которые будут опираться на обновления существующего глобального массива. Планируемый проект следующего поколения EHT (ngEHT) добавит новые антенны к EHT в оптимизированных географических точках и улучшит существующие станции, обновив их все для работы на нескольких частотах от 100 ГГц до 345 ГГц одновременно.

Ожидается, что в результате этих и других усовершенствований глобальный массив увеличит объем четких и ясных данных, которые EHT может предоставить для визуализации, в 10 раз, что позволит ученым не только создавать более подробные и точные изображения, но и снимать фильмы с участием этих жестоких космических чудовищ.

«Успешное наблюдение EHT на частоте 345 ГГц является важной научной вехой», — сказала Лиза Кьюли, директор CfA и SAO. «Раздвигая границы разрешения, мы достигаем беспрецедентной четкости в изображении черных дыр, которую обещали ранее, и устанавливаем новые и более высокие стандарты для возможностей наземных астрофизических исследований».

Больше информации: First Very Long Baseline Interferometry Detections at 870 μm, The Astronomical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-3881/ad5bdb