Понимание физики сверхмассивных чёрных дыр основано на изучении данных их аккреционных дисков и джетов, которые они выбрасывают, а также на наблюдениях таких объектов, как M87* и Sag A*. Однако, учёные до сих пор не смогли запечатлеть фотонное кольцо вокруг чёрной дыры. Свежее исследование предлагает новый подход к этой задаче.

Чёрные дыры — это структуры пространства и времени, которые искривляют его. Горизонт событий чёрной дыры представляет собой поверхность, через которую свет может пройти только однажды: всё, что переходит через горизонт, остаётся внутри чёрной дыры. Кроме того, рядом с чёрной дырой есть фотонная оболочка, которая представляет собой внутренний предел устойчивых круговых орбит фотонов. Этот предел находится на расстоянии 1,5 радиуса горизонта событий.

EHT-изображение M87* в сравнении со смоделированным изображением её фотонного кольца. Источник: EHT Collaboration (слева), A.E. Broderick (справа)

Горизонт событий и фотонную оболочку не удаётся наблюдать напрямую, но возможно зарегистрировать их ближайший эквивалент — фотонное кольцо, которое образуется, когда фотоны делают несколько полуоборотов вокруг чёрной дыры их пути изгибаются в сторону наблюдателя. Для обычной чёрной дыры радиус фотонного кольца составляет около 2,6 раз радиусов горизонта событий. В случае вращающейся чёрной дыры, радиус фотонного кольца может отличаться, так как вращение увеличивает энергию фотонов в направлении вращения. Фотонное кольцо —  самая близкая к нам структура чёрной дыры, его наблюдение может дать много информации о чёрных дырах и о гравитационной теории Эйнштейна.

На данный момент фотонное кольцо чёрной дыры M87* было распознано на данных, полученных с помощью телескопа Event Horizon Telescope (EHT), но с небольшим разрешением. Существующие возможности разрешения достигли своего предела, астрономы не могут выделить фотонное кольцо из фона с большей чёткостью. 

В связи с этим, в новом исследовании астрофизики предложили задействовать массив космических радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (VLBI), чтобы получить изображения высокого разрешения фотонного кольца M87* и других сверхмассивных чёрных дыр, таких как та, которая находится в галактике Андромеды (М31). Для этого учёные предложили разместить приёмники излучения на орбите вокруг Земли в точке Лагранжа L2. Такой телескоп смог бы получать данные с обзором, превышающим диаметр Земли.

Данное исследование является концептуальным, а реализация такого телескопа потребует значительных усилий и времени. Однако, идеи, высказанные в этой работе, заслуживают внимания, так как фотонное кольцо является главной целью астрономических исследований чёрных дыр. Возможность наблюдения и изучения фотонных колец поможет преодолеть текущие ограничения и углубить понимание физики чёрных дыр и гравитации.

Подробнее на iXBT