Телескоп событийного горизонта (EHT) — это массив телескопов, состоящий из глобальной сети радиотелескопов. Проект EHT объединяет данные с нескольких станций интерферометрии с очень длинной базой (VLBI) по всей Земле, которые образуют объединённый массив с угловым разрешением, достаточным для наблюдения объектов размером с горизонт событий сверхмассивной чёрной дыры. Целями наблюдений проекта являются две чёрные дыры с наибольшим угловым диаметром, наблюдаемым с Земли: чёрная дыра в центре сверхгигантской эллиптической галактики Мессье 87 и Стрелец A*, в центре Млечного Пути.
Проект EHT — это международное сотрудничество, запущенное в 2009 году после длительного периода теоретических и технических разработок. На теоретическом фронте работа над орбитой фотонов и первые симуляции того, как выглядит чёрная дыра, привели к прогнозам изображений VLBI для чёрной дыры в центре Галактики, Sgr A. Технические достижения в радионаблюдениях перешли от первого обнаружения Sgr A через VLBI на всё более коротких длинах волн, в конечном итоге приведя к обнаружению структуры масштаба горизонта как в Sgr A*, так и в M87.
Сотрудничество в настоящее время включает более 300 участников и 60 учреждений, работающих в более чем 20 странах и регионах. Первое изображение чёрной дыры в центре галактики Мессье 87 было опубликовано сотрудничеством EHT 10 апреля 2019 года в серии из шести научных публикаций. Массив сделал это наблюдение на длине волны 1,3 мм и с теоретическим дифракционно-ограниченным разрешением 25 микроугловых секунд. В марте 2021 года сотрудничество представило впервые изображение чёрной дыры на основе поляризации, которое может помочь лучше раскрыть силы, приводящие к возникновению квазаров.
Планы на будущее включают улучшение разрешения массива за счёт добавления новых телескопов и проведения наблюдений на более коротких длинах волн. 12 мая 2022 года астрономы представили первое изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути, Стрелец A*. С 2018 года EHT способен получать изображения на длине волны 870 мкм (345 ГГц), что даёт угловое разрешение 19 мквс, лучшее разрешение среди наземных телескопов.
Массив EHT состоит из многих радиообсерваторий или радиотелескопических объектов по всему миру, работающих вместе для создания высокочувствительного, высокоуглового телескопа. С помощью техники VLBI множество независимых радиоантенн, разделённых сотнями или тысячами километров, могут действовать как фазированная антенна, виртуальный телескоп, который можно направлять электронно, с эффективной апертурой, равной диаметру всей планеты, что значительно улучшает его угловое разрешение.
Усилия включают разработку и развертывание субмиллиметровых приёмников двойной поляризации, высокостабильных частотных стандартов для обеспечения VLBI на частотах 230–450 ГГц, более широкополосных задних частей и регистраторов VLBI, а также ввод в эксплуатацию новых субмиллиметровых объектов VLBI. Каждый год с момента первого сбора данных в 2006 году массив EHT добавлял больше обсерваторий в свою глобальную сеть радиотелескопов.
Первое изображение сверхмассивной чёрной дыры Млечного Пути, Стрелец A*, ожидалось получить из данных, собранных в апреле 2017 года, но поскольку в антарктическую зиму (апрель-октябрь) нет рейсов в или из Южного полюса, полный набор данных не мог быть обработан до декабря 2017 года, когда прибыла партия данных с Южнополюсного телескопа. Данные, собранные на жёстких дисках, перевозятся коммерческими грузовыми самолётами (так называемая “сетка для обуви”) из различных телескопов в обсерваторию MIT Haystack и Институт радиоастрономии им. Макса Планка, где данные коррелируются и анализируются на сетевом компьютере, состоящем примерно из 800 процессоров, соединённых через сеть 40 Гбит/с.
Из-за пандемии COVID-19, погодных условий и небесной механики кампания наблюдений 2020 года была перенесена на март 2021 года.
Механизм VLBI
Каждая антенна, расположенная на огромных расстояниях, имеет чрезвычайно точные атомные часы. Аналоговые сигналы, собранные антенной, преобразуются в цифровые сигналы и хранятся на жёстких дисках вместе с временными сигналами, предоставляемыми атомными часами. Затем жёсткие диски отправляются в центральное место для синхронизации. Изображение астрономического наблюдения получается путём обработки данных, собранных из нескольких мест.
Опубликованные изображения
Мессье 87*
Сотрудничество EHT объявило о своих первых результатах на шести одновременных пресс-конференциях по всему миру 10 апреля 2019 года. Объявление включало первое прямое изображение чёрной дыры, которое показало сверхмассивную чёрную дыру в центре Мессье 87, обозначенную M87*. Научные результаты были представлены в серии из шести статей, опубликованных в журнале The Astrophysical Journal Letters. Наблюдения показали вращающуюся по часовой стрелке чёрную дыру в 6σ-области. Изображение предоставило тест для общей теории относительности Альберта Эйнштейна в экстремальных условиях.
Ранее общую теорию относительности проверяли, наблюдая за движениями звёзд и газовых облаков вблизи края чёрной дыры. Однако изображение чёрной дыры позволяет проводить наблюдения ещё ближе к горизонту событий. Теория относительности предсказывает тёмную тень, вызванную гравитационным искривлением и захватом света, что соответствует наблюдаемому изображению. Опубликованная статья гласит: “В целом, наблюдаемое изображение соответствует ожиданиям для тени вращающейся чёрной дыры Керра, предсказанной общей теорией относительности”.
Пол Т. П. Хо, член совета EHT, сказал: “Как только мы убедились, что получили изображение тени, мы могли сравнить наши наблюдения с обширными компьютерными моделями, включающими физику искривлённого пространства, сверхнагретой материи и сильных магнитных полей. Многие особенности наблюдаемого изображения удивительно хорошо соответствуют нашему теоретическому пониманию”.
Изображение также предоставило новые измерения массы и диаметра M87*. EHT измерил массу чёрной дыры в 6,5±0,7 миллиардов солнечных масс и диаметр её горизонта событий примерно в 40 миллиардов километров (270 а.е.; 0,0013 пк; 0,0042 световых года), примерно в 2,5 раза меньше тени, которую она отбрасывает, видимой в центре изображения.
Ранее наблюдения M87 показали, что крупномасштабный джет наклонён под углом 17° относительно линии зрения наблюдателя и ориентирован в плоскости неба под позиционным углом −72°. Из повышенной яркости южной части кольца из-за релятивистского усиления излучения приближающегося джета EHT заключил, что чёрная дыра, которая закрепляет джет, вращается по часовой стрелке, как видно с Земли.
Симуляции EHT допускают как прямое, так и обратное вращение внутреннего диска относительно чёрной дыры, исключая нулевое вращение чёрной дыры с использованием консервативного минимального мощности джета 10^42 эрг/с через процесс Бландфорда-Знайдека.
Создание изображения из данных массива радиотелескопов требует значительной математической работы. Четыре независимые команды создали изображения для оценки надёжности результатов. Эти методы включали как установленный алгоритм в радиоастрономии для реконструкции изображения, известный как CLEAN, изобретённый Яном Хёгбом, так и методы самокалибровки обработки изображений для астрономии, такие как алгоритм CHIRP, созданный Кэтрин Буман и другими.
В марте 2020 года астрономы предложили улучшенный способ наблюдения большей части колец в первом изображении чёрной дыры. В марте 2021 года была представлена новая фотография, показывающая, как выглядит чёрная дыра M87 в поляризованном свете. Это первый раз, когда астрономам удалось измерить поляризацию так близко к краю чёрной дыры. Линии на фотографии отмечают ориентацию поляризации, которая связана с магнитным полем вокруг тени чёрной дыры.
В августе 2022 года команда под руководством исследователя Университета Уотерлоо Эвери Бродерика выпустила “переработанную” версию исходного изображения, сгенерированного из данных, собранных EHT. Это изображение “разрешило фундаментальную сигнатуру гравитации вокруг чёрной дыры”, показывая кольцо фотонов вокруг M87*. Данное утверждение впоследствии было оспорено.
В 2023 году EHT выпустил новые, более чёткие изображения чёрной дыры M87, реконструированные из тех же данных 2017 года, но созданные с использованием алгоритма PRIMO.
3C 279
В апреле 2020 года EHT выпустил первые изображения с разрешением 20 микроугловых секунд архетипического блазара 3C 279, наблюдаемого в апреле 2017 года. Эти изображения, сгенерированные из наблюдений в течение четырёх ночей в апреле 2017 года, показывают яркие компоненты джета, проекция которого на плоскость наблюдателя демонстрирует кажущееся сверхсветовое движение со скоростями до 20c.
Такое кажущееся сверхсветовое движение от релятивистских излучателей, таких как приближающийся джет, объясняется тем, что излучение, возникающее ближе к наблюдателю (вниз по течению вдоль джета), догоняет излучение, возникающее дальше от наблюдателя (в основании джета), когда джет движется со скоростью, близкой к скорости света, под малым углом к линии зрения.
Центавр A
В июле 2021 года были выпущены высокоразрешающие изображения джета, произведённого сверхмассивной чёрной дырой в центре Центавра A. С массой около 5,5×10^7 M☉ чёрная дыра недостаточно велика, чтобы её фотосфера могла быть наблюдаема, как в изображениях EHT M87*, но её джет простирается даже за пределы её родительской галактики, сохраняя при этом высокую коллимацию, что является предметом изучения. Также было обнаружено усиление яркости края джета, что исключает модели ускорения частиц, которые не могут воспроизвести этот эффект. Изображение было в 16 раз чётче, чем предыдущие наблюдения, и использовало длину волны 1,3 мм.
Стрелец A*
12 мая 2022 года сотрудничество EHT представило изображение Стрельца A, сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики Млечный Путь. Чёрная дыра находится в 27 000 световых годах от Земли; она в тысячи раз меньше, чем M87. Сера Маркхофф, сопредседатель Научного совета EHT, сказала: “У нас есть два совершенно разных типа галактик и две очень разных массы чёрных дыр, но вблизи края этих чёрных дыр они выглядят удивительно похоже. Это говорит нам о том, что общая теория относительности управляет этими объектами вблизи, и любые различия, которые мы видим дальше, должны быть вызваны различиями в материале, окружающем чёрные дыры”.
22 марта 2024 года сотрудничество EHT выпустило изображение Стрельца A* в поляризованном свете.
J1924-2914
В августе 2022 года EHT вместе с Глобальным массивом миллиметровой VLBI и Массивом очень длинной базовой линии получили изображение далёкого блазара J1924-2914. Они работали на частотах 230 ГГц, 86 ГГц и 2,3+8,7 ГГц соответственно, получив самые высокоразрешающие изображения поляризованного излучения от квазара на сегодняшний день. Наблюдения показывают спирально изогнутый джет, а поляризация его излучения предполагает тороидальную структуру магнитного поля. Объект используется в качестве калибратора для Стрельца A*, разделяя сильную оптическую изменчивость и поляризацию с ним.
NRAO 530
В феврале 2023 года EHT сообщил о наблюдениях квазара NRAO 530. NRAO 530 (1730−130, J1733−1304) — это радиоквазар с плоским спектром (FSRQ), принадлежащий к классу ярких гамма-блазаров и показывающий значительную изменчивость во всём электромагнитном спектре. Источник наблюдался Радиообсерваторией Университета Мичигана на частотах 4,8, 8,4 и 14,5 ГГц в течение нескольких десятилетий до 2012 года. Квазар пережил драматический радиовсплеск в 1997 году, во время которого его флюкс-плотность на 14,5 ГГц превышала 10 Джи, в то время как среднее значение составляет около 2 Джи. С 2002 года NRAO 530 наблюдался Субмиллиметровым массивом (SMA; Мауна-Кеа, Гавайи) на длинах волн 1,3 мм и 870 мкм. NRAO 530 имеет красное смещение z = 0,902 (Junkkarinen 1984), для которого 100 мквс соответствует линейному расстоянию 6 миллиардов парсек. Источник содержит сверхмассивную чёрную дыру, масса которой в настоящее время неопределённа, с оценками от 3×10^8 M☉ до 2×10^9 M☉.
Он был наблюдаем телескопом событийного горизонта 5–7 апреля 2017 года, когда NRAO 530 использовался в качестве калибратора для наблюдений EHT Стрельца A*. Наблюдения проводились с полным массивом EHT 2017 года из восьми телескопов, расположенных на шести географических объектах. При z = 0,902 это самый далёкий объект, наблюдаемый EHT на сегодняшний день. Команда реконструировала первые изображения источника на частоте 230 ГГц с угловым разрешением около 20 мквс, как в общей интенсивности, так и в линейной поляризации (LP). Не было обнаружено изменчивости источника, что позволило представить весь набор данных статичными изображениями. Изображения показывают яркую особенность, расположенную на южном конце джета, которая была связана с ядром. Особенность линейно поляризована, с долей поляризации около 5–8%, и имеет субструктуру, состоящую из двух компонентов. Их наблюдаемая температура яркости предполагает, что энергетическая плотность джета доминируется магнитным полем. Джет простирается на 60 мквс вдоль позиционного угла около −28°. Он включает две особенности с ортогональными направлениями поляризации (позиционный угол электрического вектора), параллельными и перпендикулярными оси джета, что соответствует спиральной структуре магнитного поля в джете. Внешняя особенность имеет особенно высокую степень LP, что указывает на почти однородное магнитное поле.
Участвующие институты
Сотрудничество EHT состоит из 13 институтов-участников: Институт астрономии и астрофизики Академии Синика, Университет Аризоны, Университет Чикаго, Восточноазиатская обсерватория, Франкфуртский университет имени Иоганна Вольфганга Гёте, Смитсоновская астрофизическая обсерватория (часть Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики), Институт миллиметровой радиоастрономии (IRAM, сам по себе сотрудничество между французским CNRS, немецким Обществом Макса Планка и испанским Национальным географическим институтом), Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано, Институт радиоастрономии им. Макса Планка, Обсерватория MIT Haystack, Национальная астрономическая обсерватория Японии, Институт теоретической физики Периметр и Университет Радбауд.
Финансирование
Сотрудничество EHT получает финансирование от numerous источников, включая Национальный научный фонд США, Европейский исследовательский совет, Национальный совет по науке и технологиям Тайваня (ранее Министерство науки и технологий Тайваня), Общество Макса Планка, Национальный совет по науке и технологиям Мексики, Фонд Джона Темплтона, Фонд Гордона и Бетти Мур, Японское общество содействия науке, Совет по исследованиям в области естественных наук и инженерии Канады, Академия Синика и Смитсоновский институт. Кроме того, Western Digital и Xilinx являются промышленными донорами.