Несмотря на десятилетия исследований, черные дыры по-прежнему остаются одними из самых мощных и загадочных небесных объектов, когда-либо изученных. Из-за экстремальных гравитационных сил ничто не может покинуть поверхность черной дыры (включая свет). В результате изучение этих объектов традиционно сводилось к наблюдению их влияния на объекты и пространство-время в их окрестностях. Только в 2019 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) получил первое изображение черной дыры.
Этот подвиг стал возможен благодаря технике, известной как интерферометрия с очень длинной базовой линией (ОДБЛ), которая позволила ученым увидеть яркое кольцо, окружающее сверхмассивную черную дыру (СМЧД) в центре галактики M87. Новое исследование международной группы астрономов показало, как космическая интерферометрия может раскрыть еще больше секретов, скрывающихся за завесой горизонта событий черной дыры.
Исследование возглавил Леонид Гурвиц, научный сотрудник Объединенного института интерферометрии с очень длинными базовыми линиями Европейского консорциума исследовательской инфраструктуры (JIVE ERIC) и Делфтского технологического университета. К нему присоединились исследователи из Института радиоастрономии (INAF), Нидерландского института космических исследований (SRON), Центра вычислительной астрофизики Института Flatiron, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), Инициативы по черным дырам, а также множества университетов и исследовательских институтов.
Как они указывают в своем исследовании, сверхвысокое угловое разрешение в астрономии всегда рассматривалось как путь к крупным открытиям. В этом процессе, известном как интерферометрия, несколько обсерваторий собирают свет от одного объекта, который иначе было бы очень трудно разрешить. В последние годы астрономы полагаются на VLBI для обнаружения излучения на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн. Соавтор исследования доктор Жолт Параги, научный сотрудник JIVE ERIC, сказал по электронной почте: "В целом, высокое угловое разрешение изображения достигается в астрономии тремя способами: увеличением размеров телескопов, наблюдением света на более коротких длинах волн и устранением (или, по крайней мере, компенсацией) помех, вызванных атмосферой Земли".
"Радиоастрономия стала основоположником развития методов визуализации, основанных на интерферометрии, когда сигнал от различных телескопов на больших расстояниях беспрепятственно (в нашей терминологии: когерентно) объединяется. В этом случае конечным фактором, определяющим разрешающую способность инструмента, является расстояние между телескопами, которое мы называем базовой линией".
Хорошим примером этого является телескоп Event Horizon Telescope (EHT), который 10 апреля 2019 года получил первое изображение сверхмассивной черной дыры (M87). За ним в 2021 году последовало изображение области ядра галактики Центавр А и исходящего из нее радиоизлучения. Однако эти изображения были не более чем слабыми кругами, которые представляли собой свет, запертый в горизонте событий СМЧД - границе, за которую ничто (даже свет) не может выйти.
Тем не менее, изображение M87, полученное EHT, стало первым прямым подтверждением существования СМЧД и впервые были получены изображения теней, окружающих СМЧД. Это изображение также позволило увидеть падающую материю вокруг сверхмассивной черной дыры, искаженную чрезвычайно сильной гравитацией. В последние годы, говорит доктор Параги, в области VLBI произошли и другие события, которые дают представление о том, что нас ждет в будущем:
"Другим важнейшим результатом последних лет стало доказательство космологического происхождения загадочных радиовспышек миллисекундной длительности, которые мы называем быстрыми радиовсплесками. Благодаря превосходным возможностям получения изображений высокого разрешения, Европейская сеть VLBI обеспечила самую высокую точность локализации в небе этих очень коротких сигналов, которые чрезвычайно трудно уловить даже с помощью самых современных интерферометров".
"Эти изображения с сантиметровой длиной волны не только показывают, из какой галактики приходят сигналы, но и позволяют сузить положение сигнала до небольших регионов внутри галактики, что будет иметь решающее значение для понимания этого явления".
По мнению астрономического сообщества, следующим логическим шагом является захват фотонного кольца. В этой области гравитационная сила настолько сильна, что фотоны вынуждены двигаться по орбитам. На снимках EHT большая часть света от этого кольца была рассеяна до того, как достигла Земли, что привело к относительно размытым изображениям. Чтобы развить успех, EHT следующего поколения (ngEHT) добавит десять новых телескопов и модернизирует те, которые уже входят в сеть.
Однако, по словам доктора Параги, благодаря космическим VLBI-массивам астрономы смогут получить наиболее детальные изображения фотонных колец вокруг СМЧД и даже самих горизонтов событий. В своем исследовании команда рассмотрела потенциал будущего космического телескопа VLBI, известного как Терагерцовый телескоп для астрофизических исследований (THEZA), который был предметом исследования в "белой книге" Гурвица, Параги и многих членов команды, ставших авторами этой последней работы.
Эта работа была представлена в рамках проекта ESA Voyage 2050 - открытого конкурса предложений по научным миссиям большого класса, которые будут проводиться в период 2035-2050 годов. Подобно космическим телескопам, изучающим космос в оптической, инфракрасной, рентгеновской, радио и других частях спектра, эта концепция предусматривает создание космического интерферометра для изучения физики космического времени в окрестностях СМЧД. Как описал это доктор Параги:
"Наблюдения из космоса на очень коротких, миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн откроют новые измерения для VLBI. Преимущества миссии, основанной на концепции THEZA, двояки. С одной стороны, имея возможность опуститься ниже длин волн телескопа "Горизонт событий" [или ngEHT], новая популяция сверхмассивных черных дыр станет доступной для разрешенной визуализации теней черных дыр, которые не видны для этих инструментов. Кроме того, это позволит провести уникальные исследования свойств спина черной дыры и пространства-времени".
Команда проанализировала все элементы телескопа, включая антенные системы, приемники, малошумящие усилители, локальные генераторы, смесители, транспортировку и обработку данных. Они пришли к выводу, что интерферометр, основанный на концепции THEZA, достигнет трех основных целей астрономической миссии со сверхвысоким угловым разрешением. Короче говоря, он будет свободен от помех со стороны земной атмосферы и будет наблюдать черные дыры на более высоких частотах и более длинных базовых линиях, чем когда-либо прежде.
"Изучая уникальные системы, состоящие из тесных пар сверхмассивных черных дыр, THEZA может раскрыть процессы, которые привели к ускоренному росту черных дыр на заре Вселенной, что наложило яркий отпечаток и на эволюцию галактик", - добавил доктор Параги. "Что еще более важно, THEZA расширит наши горизонты для детального измерения теней черных дыр. Это приведет к лучшему пониманию гравитации, что очень важно, поскольку гравитация играет фундаментальную роль в формировании Вселенной".
В ближайшие годы обсерватории следующего поколения будут опираться на усовершенствованные детекторы и технологии передачи данных, чтобы получить еще более подробную картину некоторых из самых загадочных объектов во Вселенной. К ним относятся такие предложения, как предлагаемый космический телескоп "Спектр-М", запуск которого ожидается к 2030 году. Этот прибор будет оснащен первичным зеркалом диаметром 10 метров, способным наблюдать за космосом в субмиллиметровом и дальнем инфракрасном диапазонах волн.
Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST), который в январе достиг своей орбиты (L2) и почти достаточно остыл (по состоянию на конец апреля), чтобы начать работу, вскоре проведет собственные интерферометрические исследования. Являясь частью прибора Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), интерферометр маскировки апертуры (AMI) превратит всю апертуру сегментированных зеркал JWST в интерферометрический массив.
В связи с планами НАСА отправить астронавтов обратно на Луну (в рамках программы "Артемида") и другими космическими агентствами, приступающими к программам исследования Луны, есть даже предложения построить телескопы VLBI на дальней стороне Луны, где они будут свободны от атмосферных или световых помех.
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20220505163022
Обозрение "Terra & Comp".
