Навколо надмасивної чорної діри нашої галактики обертаються потужні магнітні поля

Нещодавні результати колаборації EHT виявили сильні організовані магнітні поля навколо Стрільця A*, що свідчить про спільні риси чорних дір. Детальні порівняння з чорною дірою M87 показують схожість, натякаючи на універсальні характеристики чорної діри. Майбутні вдосконалення технології спостереження обіцяють глибше розуміння та більш детальне зображення чорних дір.

Потужні магнітні поля, що обертаються по спіралі на краю Стрільця A*

Раніше в цьому році співпраця Event Horizon Telescope (EHT) опублікувала нове зображення, на якому видно сильні організовані магнітні поля, що йдуть по спіралі від краю надмасивної чорної діри Стрілець A* (Sgr A*). Це революційне зображення центральної чорної діри Чумацького Шляху, вперше зроблене в поляризованому світлі, демонструє структуру магнітного поля, надзвичайно схожу на структуру чорної діри в галактиці M87.

Це свідчить про те, що потужні магнітні поля можуть бути загальною рисою всіх чорних дір. Подібність також підвищує ймовірність появи прихованого струменя з Sgr A*. Ці висновки були опубліковані в The Astrophysical Journal Letters .

Порівняльний аналіз: Sgr A* і M87

У 2022 році вчені оприлюднили перше зображення Sgr A*, який знаходиться на відстані приблизно 27 000 світлових років від Землі, показавши, що хоча надмасивна чорна діра Чумацького Шляху більш ніж у тисячу разів менша й менш масивна, ніж M87, вона виглядає надзвичайно схожою. . Це змусило вчених задуматися, чи є у них спільні риси, окрім зовнішнього вигляду. Щоб з’ясувати це, команда вирішила вивчити Sgr A* у поляризованому світлі.

Попередні дослідження світла навколо M87* показали, що магнітні поля навколо гіганта чорної діри дозволили йому запускати потужні струмені матеріалу назад у навколишнє середовище. Спираючись на цю роботу, нові зображення показали, що те ж саме може бути вірно для Sgr A*.

Роль магнітних полів у динаміці чорної діри

«Те, що ми зараз бачимо, полягає в тому, що поблизу чорної діри в центрі галактики Чумацький Шлях існують сильні, викривлені та організовані магнітні поля», — сказала Сара Іссаун, стипендіат програми Ейнштейна NASA Хаббл, Смітсонівська астрофізична обсерваторія (SAO). ) астрофізик та співкерівник проекту. «Окрім того, що Sgr A* має разюче подібну поляризаційну структуру до тієї, що спостерігається в набагато більшій і потужнішій чорній дірі M87*, ми дізналися, що сильні та впорядковані магнітні поля мають вирішальне значення для того, як чорні діри взаємодіють з газом і речовиною навколо. їх».

Поляризоване світло: інструмент для розгадки таємниць чорної діри

Світло — це коливальна або рухома електромагнітна хвиля, яка дозволяє нам бачити об’єкти. Іноді світло коливається в бажаній орієнтації, і ми називаємо його «поляризованим». Хоча поляризоване світло оточує нас, для людського ока його неможливо відрізнити від «нормального» світла. У плазмі навколо цих чорних дір частинки, що обертаються навколо силових ліній магнітного поля, формують поляризацію, перпендикулярну до поля. Це дозволяє астрономам бачити все більш яскраві деталі, що відбувається в регіонах чорних дір, і наносити на карту їхні лінії магнітного поля.

«Зображуючи поляризоване світло від гарячого газу, що світиться поблизу чорних дір, ми робимо прямий висновок про структуру та силу магнітних полів, які створюють потік газу та матерії, які чорна діра харчується та викидає», — сказав співробітник Гарвардської ініціативи з чорної діри та співкерівник проекту Анджело Рікарт. «Поляризоване світло вчить нас набагато більше про астрофізику, властивості газу та механізми, які відбуваються під час живлення чорної діри».

Технологічні виклики та досягнення в отриманні зображень чорної діри

Але зобразити чорні діри в поляризованому світлі не так просто, як надіти пару поляризованих сонцезахисних окулярів, і це особливо вірно для Sgr A*, який змінюється настільки швидко, що не затримується на знімках. Щоб отримати зображення надмасивної чорної діри, потрібні складніші інструменти, крім тих, які раніше використовувалися для захоплення M87*, набагато більш стійкої цілі.

Докторант CfA та астрофізик SAO Пол Тіде сказав: «Дуже приємно, що ми взагалі змогли зробити поляризоване зображення Sgr A*. Для першого зображення знадобилися місяці ретельного аналізу, щоб зрозуміти його динамічну природу та розкрити середню структуру. Створення поляризованого зображення ускладнює динаміку магнітних полів навколо чорної діри. Наші моделі часто передбачали високотурбулентні магнітні поля, що ускладнювало побудову поляризованого зображення. На щастя, наша чорна діра набагато спокійніша, що робить можливим перше зображення».

Майбутні перспективи: розширення досліджень чорних дір

Вчені раді отримати зображення обох надмасивних чорних дір у поляризованому світлі, тому що ці зображення та дані, які вони надходять, надають нові способи порівняння та протиставлення чорних дір різних розмірів і мас. З удосконаленням технологій зображення, ймовірно, розкриють ще більше таємниць чорних дір та їх подібності чи відмінності.

Мічі Баубек, докторант з Університету штату Іллінойс Урбана-Шампейн, сказала: «M87* і Sgr A* відрізняються кількома важливими моментами: M87* набагато більший, і він втягує речовину з навколишнього середовища набагато швидше. . Отже, ми могли очікувати, що магнітні поля також виглядають зовсім інакше. Але в цьому випадку вони виявилися досить схожими, що може означати, що ця структура є спільною для всіх чорних дір. Краще розуміння магнітних полів поблизу чорних дір допомагає нам відповісти на кілька відкритих питань — від того, як утворюються та запускаються струмені, до того, яку потужність мають яскраві спалахи, які ми бачимо в інфрачервоному та рентгенівському світлі».

Удосконалення методів зображення чорної діри

З 2017 року EHT провів кілька спостережень і планує знову спостерігати Sgr A* у квітні 2024 року. Щороку зображення покращуються, оскільки EHT включає нові телескопи, більшу смугу пропускання та нові частоти спостереження. Заплановане розширення на наступне десятиліття дозволить знімати високоякісні відео про Sgr A*, може виявити прихований струмінь і дозволить астрономам спостерігати подібні характеристики поляризації в інших чорних дірах. Тим часом поширення EHT у космос забезпечить чіткіші зображення чорних дір, ніж будь-коли раніше.

CfA очолює кілька великих ініціатив, спрямованих на різке підвищення EHT протягом наступного десятиліття. Проект наступного покоління EHT (ngEHT) проводить трансформаційну модернізацію EHT, спрямовану на передачу кількох нових радіотарілок онлайн, забезпечення одночасних багатоколірних спостережень і підвищення загальної чутливості масиву. Розширення ngEHT дозволить масиву створювати фільми надмасивних чорних дір у реальному часі в масштабах горизонту подій. Ці фільми дозволять розібрати детальну структуру та динаміку поблизу горизонту подій, привернувши увагу до особливостей «сильного поля» гравітації, передбачених загальною теорією відносності, а також взаємодії акреції та релятивістського реактивного запуску, який формує великомасштабні структури у Всесвіті.

Тим часом концепція місії Black Hole Explorer (BHEX) поширить EHT у космос, створюючи найчіткіші зображення в історії астрономії. BHEX дозволить виявляти та створювати зображення « фотонного кільця» — різкого кільця, утвореного випромінюванням із сильною лінзою навколо чорних дір. Властивості чорної діри відображаються на розмірі та формі фотонного кільця, виявляючи маси та обертання десятків чорних дір, своєю чергою показуючи, як ці дивні об’єкти ростуть і взаємодіють із галактиками-господарями.