Загадочные пятна на кольце вокруг черной дыры

В апреле 2017 года коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) — Телескоп горизонта событий — провела серию наблюдений центральных объектов галактики М87 и нашей Галактики (радиоисточник Sgr А*). Оба этих объекта — сверхмассивные черные дыры, которые видны благодаря излучению стягивающегося в них вещества.

Телескоп горизонта событий — это совокупность разбросанных по Земле микроволновых телескопов миллиметрового диапазона. Центральная станция этого синтетического телескопа — массив телескопов ALMA, расположенный в пустыне Атакама в Чили. Все телескопы работают в режиме цифрового интерферометра: сигнал с каждой антенны записывается, а затем с помощью корреляционного анализа восстанавливается изображение объекта.

Расстояние до двух исследованных объектов различается в две тысячи раз: расстояние до М87 — 16,4 мегапарсека, до центра Галактики — около 8 килопарсек. Но и массы черных дыр отличаются в полторы тысячи раз, в М87 — 6 млрд солнечных масс, в нашей Галактике — около 4 млн M_ʘ. Размер черной дыры пропорционален массе, поэтому угловой размер обеих черных дыр и светящихся аккреционных дисков вокруг них примерно одинаковый, у нашей — чуть больше. Этот размер порядка 4 мкс дуги — под таким углом виден человеческий волос с расстояния 500 км. Угловое разрешение, определяемое отношением длины волны (1,3 млн к диаметру земного шара — именно таков примерный размер телескопа), — около 20 мкс, тем не менее этого достаточно, чтобы рассмотреть происходящее вблизи черной дыры.

Результаты наблюдений М87 были опубликованы в апреле 2019 года¹. Результаты по нашей черной дыре были опубликованы 12 мая 2022 года — их обработка и написание статей заняли пять лет. Такая разница не случайна.

Дело в том, что характерное время переменности светящегося аккреционного диска пропорционально размеру системы, т. е. массе черной дыры. И если для М87 оно составляет дни, то для нашей Галактики — минуты. Если для М87 можно успеть накопить много данных, пока объект практически не изменился, то для Sgr A* это сделать очень тяжело. Но вот как-то сделали и даже опубликовали некое изображение, которое моментально стало знаменитым.

Чтобы попытаться его интерпретировать, полезно сказать пару слов, что можно наблюдать от аккрецирующей черной дыры. Схема искривленных световых лучей вблизи черной дыры показана на рис. 2 (для простоты приведен случай невращающейся черной дыры). На расстоянии трех гравитационных радиусов от центра черной дыры находится так называемая фотонная сфера. Таким образом фотон, пролетающий мимо черной дыры по касательной ближе, чем R_ph, попадет в черную дыру, пролетающий дальше — улетит по кривой на бесконечность, а летящий точно на расстоянии R_ph — будет циркулировать вокруг дыры по круговой орбите. Фотоны не живут на фотонной сфере — траектории неустойчивы и отклоняются либо внутрь, либо наружу, но так или иначе фотонная сфера как бы «притягивает» фотоны, возникает так называемая каустика, проявляющаяся в виде яркого кольца, внутри которого яркость резко падает. Фотоны в эту фотонную сферу поставляет аккреционный диск — его яркость на порядки выше, чем яркость окружающих источников.

При этом тяготение черной дыры, искривляя траектории фотонов, увеличивает видимый радиус фотонного кольца до 5,2 R_g (для шварцшильдовской черной дыры) — происходит самолинзирование. Для исследованных черных дыр угловой радиус оказывается чуть больше 20 мкс, что уже можно разрешить с помощью ЕНТ. Итак, с помощью ЕНТ мы должны видеть размытое (из-за ограниченного разрешения) яркое кольцо с темным пятном посередине, которое не очень удачно называется тенью черной дыры. Кольцо может быть неравномерным по яркости — типа полумесяца, если оно наклонено к лучу зрения (та часть аккреционного диска, которая движется к нам из-за орбитального вращения, — ярче, это называется «доплеровское усиление»). Кроме того, если удалось построить «мгновенное» изображение, т. е. накопить данные за время, меньшее характерного времени переменности аккреционного диска, то можно обнаружить какую-то пятнистость вдоль кольца. В аккреционном диске могут вовсю действовать магнитогидродинамические неустойчивости, приводящие к неоднородностям яркости.

Именно это мы и видим на изображении центра М87. Характерное время переменности в аккреционном диске М87 — дни; данные, на основе которых построено изображение, накоплены за день, т. е. картинку ядра М87 можно считать мгновенной. Там явно виден «полумесяц» из-за доплеровского усиления плюс некоторая нерегулярность, слегка меняющаяся за пять дней.

С нашей черной дырой всё намного хуже. Там время переменности (динамическое время) — минуты. Проблемы с построением изображения ее ближайших окрестностей подчеркивались с самого начала. И вот через пять лет публикуется² картинка, приведшая народ в изумление: кольцо, подобное тому, что наблюдалось у М87, но с тремя яркими пятнами — именно эти пятна вызвали максимальное недоумение любителей астрономии в социальных сетях. Автор данной заметки разделяет это недоумение. Почему эти пятна не размазались из-за быстрого вращения диска?

Картинка, представленная на рис. 3, позиционируется как «статическое» изображение, построенное на основе данных за 7 апреля 2017 года³. При этом авторы статьи признают, что переменность быстрая и сильная. Смысл в статическом изображении при этом несколько теряется, но, может быть, все-таки существуют какие-то стабильные детали типа полумесяца — доплеровского усиления в части кольца, движущегося по направлению к наблюдателю?

Здесь приходится решать примерно такую обратную задачу: какое статическое распределение яркости лучше всего будет соответствовать данным, полученным от меняющегося объекта, к тому же осложненным дифракцией на межзвездной среде (в данном случае она гораздо сильней, чем для М87, поскольку луч зрения проходит через диск и центр Галактики). Задача наверняка некорректна (не только в математическом, но и в житейском смысле), но, может быть, она может ухватить какую-то правду?

В 2019 году был проведен «слепой тест»: пять команд независимо друг от друга пытались реконструировать изображение Sgr A* по тем же данным. Результат⁴ показан на рис. 4. Как видим, результаты радикально отличаются друг от друга, хотя кольцеобразная структура просматривается в большинстве картинок. То есть кольцеобразность, скорее всего, — правда (и это то, что следовало ожидать), конкретное распределение яркости вдоль кольца — вилами по воде писано. Авторы статьи утверждают, что со времени проведения слепого теста процедура была усовершенствована, в частности, за счет «смягчения» (mitigation) эффектов переменности и дифракции. Что это значит, быстро понять из статьи довольно трудно.

В статье нет оценок статистической значимости наличия трех пятен. Насколько модель с тремя пятнами лучше модели однородного кольца или кольца с доплеровским «полумесяцем»? Понятно, что эту значимость оценить очень сложно, но тогда не стоит преподносить эту картинку как нечто реальное. Понятно, что широким массам, требующим зрелищ, нужна именно картинка, и именно она вызовет максимальный отклик. Видимо, в таких случаях полезно добавлять дисклеймер по поводу того, что из-за неоднозначности обработки реальная картинка может отличаться. Почему я цепляюсь именно к этим трем пятнам? Их очень сложно интерпретировать физически для быстропеременной системы с орбитальным временем в десятки раз короче периода наблюдений. Это некое если не чрезвычайное, то просто сильное утверждение, требующее столь же сильных свидетельств, которых не видно.

Несмотря на смутный смысл самого изображения, данные, представленные в этой серии статей, очень интересны. Прежде всего достаточно надежно продемонстрирована кольцеобразная структура с тенью черной дыры. Из данных видно, что мы наблюдаем аккреционный диск Sgr A* скорее плашмя, чем с ребра (наиболее вероятный угол наклона оси к лучу зрения — порядка 30°). Получена новая независимая оценка массы черной дыры:
4^+1,1_–0,6 млн М_ʘ. Получен целый ряд ограничений на физику аккреции вещества в Sgr A* — температуру электронов, параметр вращения черной дыры. Будем надеяться на дальнейшую дискуссию и новые интерпретации результатов.

Борис Штерн

¹ trv-science.ru/uvidet-chernuyu-dyru

² iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6429#apjlac6429s7

³ iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results

⁴ iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6429