Международная группа из более чем 200 астрономов, включая ученых из обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института, сделала первые прямые снимки черной дыры. Они совершили этот выдающийся подвиг, скоординировав мощность восьми крупных радиообсерваторий на четырех континентах, чтобы они работали вместе как виртуальный телескоп размером с Землю.
В серии статей, опубликованных сегодня в специальном выпуске Astrophysical Journal Letters (https://iopscience.iop.org/issue/2041-8205/875/1), команда обнаружила четыре изображения сверхмассивная черная дыра в центре Мессье 87, или M87, галактики в скоплении галактик Девы, в 55 миллионах световых лет от Земли.
На всех четырех изображениях показана центральная темная область, окруженная кольцом света, которое кажется неравномерным - с одной стороны ярче, чем с другой.
Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предсказал существование черных дыр в виде бесконечно плотных, компактных областей в пространстве, где гравитация настолько экстремальна, что ничто, даже свет, не может выйти изнутри. По определению черные дыры невидимы. Но если черная дыра окружена светоизлучающим материалом, таким как плазма, уравнения Эйнштейна предсказывают, что некоторая часть этого материала должна создавать «тень» или контур черной дыры и ее границы, также известный как ее горизонт событий.
Основываясь на новых изображениях M87, ученые полагают, что впервые видят тень черной дыры в виде темной области в центре каждого изображения.
Относительность предсказывает, что огромное гравитационное поле заставит свет огибать черную дыру, образуя яркое кольцо вокруг ее силуэта, а также заставит окружающий материал вращаться вокруг объекта со скоростью, близкой к скорости света. Яркое перекошенное кольцо на новых изображениях служит визуальным подтверждением этих эффектов: материал, направляющийся к нашей точке наблюдения, когда он вращается, кажется ярче, чем другая сторона.
Из этих изображений теоретики и специалисты по моделированию в команде определили, что черная дыра примерно в 6,5 миллиардов раз массивнее нашего Солнца. Небольшие различия между каждым из четырех изображений позволяют предположить, что материал носится вокруг черной дыры с молниеносной скоростью.
«Эта черная дыра намного больше, чем орбита Нептуна, а Нептуну требуется 200 лет, чтобы облететь вокруг Солнца», - говорит Джеффри Крю, научный сотрудник обсерватории Хейстек.«Черная дыра M87 настолько массивна, что вращающаяся вокруг нее планета может пройти вокруг нее за неделю и двигаться со скоростью, близкой к скорости света».
"Люди склонны рассматривать небо как что-то статичное, что вещи на небе не меняются, а если и меняются, то в масштабах времени, превышающих человеческую жизнь", - говорит Винсент Фиш, ученый-исследователь. в обсерватории Хейстек. «Но то, что мы обнаружили для M87, заключается в том, что объекты изменяются с точностью до нескольких дней в течение нескольких дней. В будущем мы, возможно, сможем снимать фильмы из этих источников. Сегодня мы видим начальные кадры».
«Эти замечательные новые изображения черной дыры M87 еще раз доказывают, что Эйнштейн был прав», - говорит Мария Зубер, вице-президент Массачусетского технологического института по исследованиям и E. A. Грисволд, профессор геофизики Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах. «Открытие стало возможным благодаря достижениям в области цифровых систем, в которых инженеры Haystack уже давно преуспели."
Природа была добра
Изображения были получены с помощью телескопа Event Horizon, или EHT, массива планетарного масштаба, состоящего из восьми радиотелескопов, каждый из которых находится в удаленной высокогорной местности, включая горные вершины Гавайских островов, Сьерра-Невада в Испании, чилийская пустыня и ледяной щит Антарктики.
В любой день каждый телескоп работает независимо, наблюдая за астрофизическими объектами, излучающими слабые радиоволны. Однако черная дыра бесконечно меньше и темнее любого другого радиоисточника в небе. Чтобы увидеть это ясно, астрономам нужно использовать очень короткие волны - в данном случае 1,3 миллиметра - которые могут прорезать облака материала между черной дырой и Землей.
Создание изображения черной дыры также требует увеличения или «углового разрешения», эквивалентного чтению текста по телефону в Нью-Йорке из уличного кафе в Париже. Угловое разрешение телескопа увеличивается с размером его приемной тарелки. Однако даже самые большие радиотелескопы на Земле не настолько велики, чтобы увидеть черную дыру.
Но когда несколько радиотелескопов, разделенных очень большими расстояниями, синхронизированы и сфокусированы на одном источнике в небе, они могут работать как одна очень большая радиотарелка с помощью метода, известного как интерферометрия со сверхдлинной базой, или РСДБ. В результате их комбинированное угловое разрешение может быть значительно улучшено.
Для EHT восемь телескопов-участников объединились в виртуальную радиотарелку размером с Землю, с возможностью разрешения объекта до 20 угловых микросекунд - примерно в 3 миллиона раз четче, чем зрение 20/20. По счастливому стечению обстоятельств, именно столько точности требуется, чтобы увидеть черную дыру, согласно уравнениям Эйнштейна.
«Природа была добра к нам и дала нам что-то достаточно большое, чтобы мы могли его увидеть, используя самое современное оборудование и методы», - говорит Крю, соруководитель рабочей группы по корреляции EHT и ALMA. Группа РСДБ обсерватории.
Куча данных
5 апреля 2017 года EHT начал наблюдения за M87. Проанализировав многочисленные прогнозы погоды, астрономы определили четыре ночи, которые обеспечат ясные условия для всех восьми обсерваторий - редкая возможность, в течение которой они могли бы работать как одна коллективная тарелка для наблюдения за черной дырой..
В радиоастрономии телескопы обнаруживают радиоволны на частотах, которые регистрируют входящие фотоны как волну, с амплитудой и фазой, которые измеряются как напряжение. Когда они наблюдали M87, каждый телескоп принимал потоки данных в виде напряжений, представленных в виде цифровых чисел.
"Мы записываем кучу данных - петабайты данных для каждой станции", - говорит Крю.
В общей сложности каждый телескоп принял около одного петабайта данных, что равно 1 миллиону гигабайт. Каждая станция записывала этот огромный приток на несколько устройств Mark6 - сверхбыстрых регистраторов данных, изначально разработанных в обсерватории Хейстек.
После завершения наблюдения исследователи на каждой станции упаковали стопку жестких дисков и отправили их через FedEx в обсерваторию Хейстек в Массачусетсе и в Институт радиоастрономии Макса Планка в Германии. (Воздушный транспорт был намного быстрее, чем передача данных в электронном виде.) В обоих местах данные воспроизводились в высокоспециализированный суперкомпьютер, называемый коррелятором, который обрабатывал данные двумя потоками одновременно.
Поскольку каждый телескоп занимает свое место на виртуальной радиотарелке EHT, он имеет несколько иной вид интересующего объекта - в данном случае M87. Данные, полученные двумя отдельными телескопами, могут кодировать аналогичный сигнал черной дыры, но также содержать шум, специфичный для соответствующих телескопов.
Коррелятор выстраивает данные от каждой возможной пары восьми телескопов EHT. Из этих сравнений он математически отсеивает шум и выделяет сигнал черной дыры. Высокоточные атомные часы, установленные на каждом телескопе, маркируют входящие данные во времени, позволяя аналитикам сопоставлять потоки данных постфактум.
«Точное выравнивание потоков данных и учет всех видов тонких отклонений от времени - одна из вещей, на которых специализируется Haystack», - говорит Колин Лонсдейл, директор Haystack и заместитель председателя правления EHT.
Команды Haystack и Max Planck затем начали кропотливый процесс «сопоставления» данных, выявления ряда проблем на разных телескопах, их исправления и повторного проведения корреляции до тех пор, пока данные не будут тщательно проверены. Только после этого данные были переданы четырем отдельным командам по всему миру, каждой из которых было поручено создать изображение на основе данных с использованием независимых методов.
"Это была вторая неделя июня, и я помню, что не спал ночь перед публикацией данных, чтобы быть уверенным, что я готов", - говорит Казунори Акияма, один из руководителей группы визуализации EHT. и постдок, работающий в Haystack.
Все четыре группы по визуализации ранее протестировали свои алгоритмы на других астрофизических объектах, убедившись, что их методы будут давать точное визуальное представление радиоданных. Когда файлы были опубликованы, Акияма и его коллеги немедленно прогнали данные через соответствующие алгоритмы. Важно отметить, что каждая команда делала это независимо от других, чтобы избежать какой-либо групповой предвзятости в результатах.
"Первое изображение, которое сделала наша группа, было немного нечетким, но мы увидели это кольцеобразное излучение, и в тот момент я был так взволнован", - вспоминает Акияма. «Но в то же время я беспокоился, что, возможно, я единственный, кто получил изображение черной дыры».
Его беспокойство было недолгим. Вскоре после этого все четыре команды встретились в Гарвардском университете в рамках проекта «Черная дыра», чтобы сравнить изображения, и с некоторым облегчением, воодушевлением и аплодисментами обнаружили, что все они создали одну и ту же кривую кольцеобразную структуру - первые прямые изображения черная дыра.
«В астрономии были способы найти признаки черных дыр, но это первый раз, когда кто-либо сфотографировал одну из них», - говорит Крю. «Это переломный момент».
Новая эра
Идея EHT была задумана в начале 2000-х годов Шепердом Доулманом, который руководил новаторской программой РСДБ в обсерватории Хейстек, а теперь руководит проектом EHT в качестве астронома в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики. В то время инженеры Haystack разрабатывали цифровые серверные части, записывающие устройства и коррелятор, которые могли обрабатывать огромные потоки данных, получаемые массивом разрозненных телескопов.
«Концепция изображения черной дыры существует уже несколько десятилетий, - говорит Лонсдейл. «Но на самом деле именно развитие современных цифровых систем заставило людей задуматься о радиоастрономии как о способе ее осуществления. Строилось все больше телескопов на горных вершинах, и постепенно пришло осознание того, что, эй, [изображение черной дыры] не совсем сумасшедший."
В 2007 году команда Доулмана испытала концепцию EHT, установив регистраторы Haystack на три широко разбросанных радиотелескопа и нацелив их вместе на Стрелец A, черную дыру в центре нашей собственной галактики.
«У нас не было достаточно посуды, чтобы сделать изображение», - вспоминает Фиш, один из руководителей рабочей группы EHT по научным операциям. «Но мы могли видеть, что там было что-то подходящего размера».
Сегодня EHT выросла до массива из 11 обсерваторий: ALMA, APEX, Гренландского телескопа, 30-метрового телескопа IRAM, обсерватории IRAM NOEMA, телескопа Китт-Пик, телескопа Джеймса Клерка Максвелла, Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано, Субмиллиметровая решетка, Субмиллиметровый телескоп и Телескоп Южного полюса.
В координации наблюдений и анализа участвовало более 200 ученых со всего мира, которые составляют коллаборацию EHT, с 13 основными учреждениями, включая обсерваторию Хейстек. Основное финансирование было предоставлено Национальным научным фондом, Европейским исследовательским советом и финансовыми агентствами в Восточной Азии, включая Японское общество содействия развитию науки. Этому результату способствовали телескопы ALMA, APEX, 30-метровый телескоп IRAM, телескоп Джеймса Клерка Максвелла, Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано, Субмиллиметровая решетка, Субмиллиметровый телескоп и Телескоп Южного полюса..
Планируется, что к массиву EHT присоединятся другие обсерватории, чтобы повысить резкость изображения M87, а также попытаться увидеть сквозь плотный материал, лежащий между Землей и центром нашей галактики, сердце Стрельца A.
«Мы продемонстрировали, что EHT - это обсерватория, способная увидеть черную дыру в масштабе горизонта событий», - говорит Акияма. «Это заря новой эры астрофизики черных дыр».
В команду Haystack EHT входят Джон Барретт, Роджер Каппалло, Джозеф Кроули, Марк Дером, Кевин Дюдевуар, Майкл Хект, Линн Мэтьюз, Котаро Морияма, Майкл Пуарье, Алан Роджерс, Честер Рущик, Джейсон СуХу, Дон Соуза, Майкл Титус и Алан Уитни. Дополнительными участниками стали выпускники Массачусетского технологического института Дэниел Палумбо, Кэти Боуман, Линди Блэкберн и Билл Фриман, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института.