Діра в деталях

Уперше передречені ще наприкінці XVIII століття, описані Теорією відносності на початку ХХ століття чорні діри надто малі або занадто далекі для того, щоб їх можна було розрізнити за допомогою звичайних телескопів. Надмасивна чорна діра Стрілець А * в центрі нашої Галактики налічує близько 4 мільйонів мас Сонця, упакованих у просторі радіусом менше орбіти Меркурія.

Event Horizon Telescope (EHT) об’єднує мережу потужних радіотелескопів, що працюють в різних куточках планети, в єдиний інтерферометр з наддлінною базою. Їх спостереження синхронізуються за точним атомним годинником спостереження і об’єднуються за допомогою довгих обчислень на суперкомп’ютерах, дозволяючи отримувати зображення з величезною роздільною здатністю. Видимий розмір горизонту подій M87 * становить всього 7 кутових мікросекунд — в десятки мільйонів разів менше диска повного Місяця, досягнута EHT роздільна здатність — 20 мікросекунд (на довжині хвилі 1,3 мм). Планується, що в майбутньому телескопи EHT (пурпурові) зможуть провести зйомку надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху, а телескопи, об’єднані в інтерферометр GMVA (жовті), розглянуть навколишній її аккреційний диск

Для спостереження за нею кілька років тому був запущений величезний радіоінтерферометр EHT — «телескоп розміром з Землю». Але першою здобиччю нового інструменту виявилася надмасивна чорна діра галактики M87. Вона розташована в тисячі разів далі Стрільця А *, зате і в тисячі разів більша за нього. Обробка отриманих ще в 2017 році даних зайняла близько двох років, проте справа того коштувала: «Це як зазирнути у ворота пекла, за межі простору і часу», — описав свої враження один з авторів цієї грандіозної роботи. Давайте полюбимо разом.

Галактика M87

Галактика M87, одна з найбільших у Місцевому надскупченні галактик, розташована на відстані близько 54 млн світлових років. Надмасивна чорна діра M87 * в її центрі налічує 6,5 млрд мас Сонця і щодня поглинає 90 мас Землі (одну масу Сонця приблизно за 10 років).

Розшифровку пунктів 1-4 можна прочитати нижче

1. Горизонт подій — уявна лінія, опинившись за якою ніщо не може повернутися назад. Горизонт подій чорної діри має характерний розмір — гравітаційний радіус. Перетнувши його, всі об’єкти йдуть за межі спостережуваного Всесвіту, зникаючи в сингулярності. Гравітаційний радіус чорної діри M87 * становить 0,019 світлового року, більш ніж у сто разів перевищуючи орбіту Землі.

2. Акреційний диск матерії, що падає в чорну діру: прискорюючись і розколюючись, речовина активно випромінює в широкому діапазоні хвиль, дозволяючи побачити якщо не саму дірку, то її найближчі околиці. Акреційний диск надмасивної чорної діри M87 * тягнеться на 0,4 світлового року — в тисячі разів далі орбіти Плутона.

Яскрава сторона акреційного диска рухається в наш бік і завдяки релятивістському червоному зміщенню стає краще видимою. Диск чорної діри M87 * обертається на швидкості близько 1000 км/с

3. Релятивістські струмені з’являються при взаємодії акреціюючої плазми з магнітними полями. Частина речовини на навколосвітній швидкості викидається з полюсів диска двома вузькими протилежно спрямованими потоками. Надмасивна чорна діра M87 * викидає джети довжиною до 5000 світлових років. Один з них спрямований в нашу сторону і видний в оптичному діапазоні.

4. Фотонна сфера утворюється світлом, що опинився на круговій орбіті навколо чорної діри. Положення частинок, що потрапили сюди, нестійке, і, зробивши один або кілька обертів, вони неминуче падають в надра діри або йдуть по спіралі в космічний простір.

Розшифровку пунктів 1-2 можна прочитати нижче

1. Тінь діри виникає через викривлення траєкторії фотонів, що пролітають невисоко над сферою горизонту подій. Її розміри приблизно в 2,6 рази більші гравітаційного радіусу чорної діри.

2. Зворотний бік акреційного диска видно через потужне гравітаційне лінзування. Деякі фотони з протилежного боку чорної діри огинають сферу горизонту подій, і стають видні дальні сторони акреційного диска — верхня і нижня.