Как магнитните полета влияят на изображенията на черните дупки (видео)

Изминаха повече от 100 години от откриването на първото решение за черна дупка в Общата теория на относителността. Поколения учени спорят дали тези обекти физически съществуват във Вселената или са просто математически резултат. През 60-те години Роджър Пенроуз получава Нобелова награда, демонстрирайки как реално могат да се образуват черни дупки в нашата Вселена и малко след това е открита първата черна дупка - Cygnus X-1.

Сега е известно, че черните дупки варират от само няколко пъти масата на нашето Слънце до много милиарди слънчеви маси, като повечето галактики разполагат със свръхмасивни черни дупки в своите центрове. През 2017 г. бе координирана огромна кампания за наблюдение между голям брой радиотелескопи по целия свят в опит за първи път директно да се изобрази хоризонтът на събитията на черна дупка. Това първо изображение е показано през 2019 година, разкривайки на форма, подобна на поничка. Сега са публикувани нова серия от документи и можем да видим ново изображение, на което "поничката" от гореща плазма е набраздена от магнитните линии.

Каква е науката зад този епичен образ и как магнитните полета влияят на изображенията на черните дупки, обяснява астрофизикът Итън Сийгъл.

_{Тази анимация показва хоризонта на събитията, сингулярността и други особености на въртящите се черни дупки.
функции за въртящи се черни дупки. В близост до черната дупка, пространството тече като движеща се пътека или водопад. На хоризонта на събитията дори някой да бяга (или плува) със скоростта на светлината, няма да може да се противопостави на потока на пространство-времето, което го влече в сингулярността в центъра. Извън хоризонта на събитията обаче други сили (като електромагнетизъм) често могат да преодолеят притеглянето на гравитацията и падащата материя може да избяга, дори да бъде изхвърлена далече. Кредит: Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado}

В нашата Вселена черните дупки не са просто струпвания на маса, които са колапсирали под действието на собствената си гравитация до една точка. В космоса всички форми на материята упражняват гравитационно влияние една върху друга и винаги, когато обектите си взаимодействат по този начин, те привличат „по-близките“ части на обекта с по-голяма сила, отколкото „по-отдалечените“ части от него. Този тип сила - известен като приливна сила - не е отговорен само за приливите и отливите, но и е причина на въртящия момент. В резултат всичко, което съществува във Вселената, се върти вместо да стои неподвижно.

Това означава, че черните дупки не са неподвижни, а по-скоро се въртят около някаква ос. Косвените измервания показват, че черните дупки се въртят релативистично - със скорост, близка до скоростта на светлината. Основната идея на телескопа на хоризонта на събитията или EHT (Event Horizon Telescope) обаче е, че независимо от това как е ориентирана тази въртяща се черна дупка, от околната материя ще се излъчва светлина, която се е изплъзнала от хоризонта на събитията и се измъква по права линия, създавайки фотонен пръстен, който наблюдаваме да обгражда тъмния център, откъдето не може да излезе светлина. (По причини, свързани с кривината на пространството, размерът на този тъмен център всъщност е повече от ~ 250% от диаметъра на физическия хоризонт на събитията.)

_{Илюстрацията на този художник изобразява траекториите на фотоните в близост до черна дупка. Гравитационното огъване и улавяне на светлина от хоризонта на събитията е причината за сянката, заснета от EHT. Фотоните, които не са уловени, създават характерна сфера и тя потвърждава валидността на Общата теория на относителността. Кредит: Nicolle R. Fuller/NSF}

Това изображение е изключително технологично постижение. Трябвало е да се състави масив от радио изображения (с дължина на вълната милиметър-субмилиметър) от цял ​​свят по едно и също време. Провеждайки много такива сеанси при различни разстояния между приемащите телескопи, е възможно да се състави точно изображение на обект с такава ъглова разделителна способност, като че ли се наблюдава с инструмент с размер, равен на максималното разстояние между приемниците.

^{Разположение на отделните радиотелескопи, образуващи заедно Телескопа на хоризонта на събитията. Кредит: ESO}

За да видим каквото и да било, трябва да се търсят черни дупки, които едновременно са много големи, с голям ъглов диаметър като се наблюдават от нашата гледна точка на Земята, а също така са и активни - излъчват огромни количества радиация от радиовълни. Има само две, които отговарят на тези условия:

1. Стрелец A*, черни дупки с четирите милиона пъти слънчева маса в центъра на нашата галактика, само на ~ 27 000 светлинни години.
2. И черната дупка в центъра на масивната елиптична галактика M87, с 6.5 милиарда слънчеви маси (около 1500 пъти масата на Стрелец А*), но на около 50-60 милиона светлинни години (около 2000 пъти по-далеч).

През април 2019 г., след две години анализ, са публикувани първите изображения: карта на радиосветлината, която проследява излъчените фотони от околността на черната дупка в далечната галактика M87.

_{Първото изображение на телескопа Event Horizon постигна резолюция от 22,5 микроарксекунди, позволявайки на масива да покаже хоризонта на събитията на черната дупка в центъра на M87. Телескоп с една чиния трябва да бъде с диаметър 12 000 км, за да постигне същата резолюция. Обърнете внимание на различните изображения от 5/6 април и изображенията от 10/11 април, които показват, че характеристиките около черната дупка се променят с течение на времето. Това помага да се демонстрира важността на синхронизирането на различните наблюдения, а не просто тяхното осредняване. Кредит: Event Horizon Telescope Collaboration}

Въпреки че това обикновено се показва като едно изображение - където четирите изображения от четирите различни дни се добавят и осредняват - важно е да се изясни какво всъщност се случва. Светлината от много далечен източник попада в телескопите на много различни места на Земята. За да е сигурно, че с събират данните от едно и също време, трябва да се синхронизират различните обсерватории с атомни часовници и след това да се отчете времето, нужно на светлината да достигне до всяка уникална точка на повърхността на Земята. С други думи, трябва да е сигурно, че телескопите са правилно синхронизирани: изключително трудна задача.

Причината да се направи изображение на черната дупка в центъра на M87 и не на черната дупка в центъра на нашата собствена галактика е поради забележителните й размери. При 6.5 милиарда слънчеви маси диаметърът й е приблизително един светлинен ден, което означава, че за да се променят значително характеристиките в фотонния пръстен е нужен приблизително 1 ден. Масата на нашата черна дупка Стрелец A* е само 0,15% от масата на черната дупка в M87, затова в същата степен характеристиките на нашата черна дупка се променят всяка минута, което прави много по-трудно да се конструира изображението.

И докато екипът на EHT все още работи върху първото изображение на нашата черна дупка, наскоро бе показано много по-подробно изображение на тази в центъра на M87 благодарение на специален набор от измервания, които също се извършват - поляризационни измервания.

^{Светлината не е нищо повече от електромагнитна вълна, с фазово колебаещи се електрически и магнитни полета, перпендикулярни на посоката на разпространение на светлината. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-високоенергиен е фотонът, но толкова по-податлив е и на промени в скоростта на светлината през среда. Посоката на електрическото и магнитното поле определя поляризацията на светлината. Кредит: Wikimedia Commons}

Независимо дали се разглеждат по квантов начин (като фотони) или по класически начин (като вълни), явлението светлина има присъщи електромагнитни свойства. Като електромагнитна вълна светлината е направена от трептящи, фазови, взаимно перпендикулярни електрически и магнитни полета. Винаги, когато светлината премине през магнетизирана плазма или се отрази от даден материал, тя може да стане частично или напълно поляризирана - вместо електрическото и магнитното поле да са ориентирани произволно, те са ориентирани в определена посока.

Около пулсарите - радиоизлъчващи неутронни звезди с много силни магнитни полета - светлината може да бъде почти 100% поляризирана. Никога преди не е измервана поляризацията на фотоните около черна дупка, но освен простото измерване на потока и плътността на фотоните, EHT измерва и информацията, необходима за възстановяване на данните за поляризацията на черната дупка в центъра на М87.

Точно както са реконструирани изображенията на фотонния пръстен на черната дупка, еволюираща с времето, също така изследователите са успели да реконструират данните за ежедневните промени в поляризацията.

^{Тези линии проследяват поляризацията на горещата плазма около черната дупка на M87. Поляризацията е най-силна по южните и западните покрайнини на черната дупка и ясно мигрира с течение на времето. Само около 15% от светлината е поляризирана, което не е малко, но не толкова, колкото за други екстремни обекти като пулсарите. Кредит: Event Horizon Telescope Collaboration}

Данните за поляризацията напълно допълват получената пряка светлина, тъй като дават информация, която е независима от формата и плътността на светлината, излъчвана от черната дупка. Вместо това, данните за поляризацията са полезни, защото дават информация  за материята, която заобикаля черната дупка, включително каква е силата на магнитното поле в този регион, плътността на свободните електрони, температурата на тази гореща плазма и колко маса консумира черната дупка с течение на времето.

Информацията е вълнуваща и до голяма степен неочаквана.

1. Силата на магнитното поле в близост до черната дупка е между 1 и 30 Гауса където ~ 1 Гаус е силата на магнитното поле на Земята на повърхността. В сравнение с неутронните звезди, където магнитните полета могат да достигнат повече от 10 ¹⁵ Гауса, това е малко, но в много по-големи мащаби.
2. Във всеки кубичен сантиметър около тази черна дупка има между десет хиляди и десет милиона свободни електрони.
3. Температурата на плазмата, която се е натрупала около тази черна дупка, е огромна: между 10 и 120 милиарда К, или над 1000 пъти температурата в центъра на Слънцето.
4. И накрая, тази черна дупка консумира маса със скорост между 100 и 700 земни маси всяка година.

И все пак, колкото и вълнуващо да е това, най-впечатляващо от всичко е новото изображение на радиацията около черната дупка с ефектите на поляризация (които са подравнени с електрическите полета и перпендикулярни на магнитните полета, но всичко се влияе от  изкривенатата от масата геометрия на пространство-времето)

^{Поляризиран изглед на черната дупка в M87. Линиите маркират ориентацията на поляризацията, която е свързана с магнитното поле около сянката на черната дупка. Обърнете внимание колко по-извито изглежда това изображение от оригинала, който е повече прилича на петно. Кредит: Event Horizon Telescope Collaboration}

Първото нещо, което се забелязва, е, че това изображение със следи от усукване изглежда много по-констрастно от оригиналното изображение, което прилича по-скоро на размазан пръстен, отколкото на нещо друго.

Защо тези поляризационни данни, които са взети със същите инструменти като обикновените светлинни данни, имат толкова висока разделителна способност?

Отговорът е, че не е така. Данните за поляризацията имат същата резолюция като обикновените данни, което означава, че могат да дадат характеристики до около ~ 20 дъгови микросекунди. Има 360 градуса в пълния кръг, 60 дъгови минути във всяка степен, 60 дъгови секунди във всяка дъгова минута и един милион дъгови микросекунди във всяка дъгова секунда. Ако може да видите от Земята наръчника за мисията "Аполо", оставен на Луната, 20дъгови микросекунди биха обхванали приблизително „Aп“ от думата "Аполо".

Данните за поляризацията обаче ни казват колко се изкривява светлината и в коя посока, което ни позволява да проследим електрическото и магнитното поле около черната дупка. Точно както виждаме светлината и как данните за поляризацията да се развиват с времето, можем да съберем тези резултати и да определим как фотонният пръстен около хоризонта на събитията на черната дупка се е променил и еволюирал по време на наблюденията.

_{Това 8-панелно изображение показва изведената поляризация (отгоре) и реконструираните фотони (отдолу) за черната дупка в центъра на галактиката M87. Обърнете внимание как поляризацията се развива с течение на времето и как, заедно със светлинните данни, структурата на фотонния пръстен (или фотонната сфера, ако предпочитате) се променя през периода на наблюденията. Кредит: Event Horizon Telescope Collaboration}

Една от големите изненади е колко малка е поляризацията на фотоните. Ако има магнетизирана плазма около тази черна дупка, наивно е да се очаква, че светлината ще пристигне почти напълно поляризирана - с поляризационни фракции от 80-90% или дори повече. И все пак, това, което виждаме, е, че фракцията на поляризация е малка: около ~ 15-20% в своя пик, като действителната стойност е дори по-малка в повечето места.

Защо е така?

За разлика от пулсарите, където магнитното поле може да бъде кохерентно в мащаби, сравними с размера на неутронната звезда (около ~ 10 километра), тази черна дупка е много огромна. При диаметър около 1 светлинен ден (около 0,003 светлинни години) за черната дупка, почти със сигурност има сложна магнитна структура на по-малки мащаби от този. Когато светлината преминава през магнитно поле, нейната посока на поляризация се върти и се върти пропорционално на силата на полето. (ефект на Фарадей)

Ако обаче това магнитно поле е неравномерно, въртящата се поляризация трябва да „разбърка“ сигнала, намалявайки значително неговата величина. Ако трябва точно да се картографира магнитното поле, за да стане това ще трябва да се изгради масив от телескопи, по-голям от диаметъра на нашата планета.

_{Това съставно изображение показва три изгледа на централния регион на галактиката Messier 87 (M87) в поляризирана светлина, а именно отгоре надолу, с базирания в Чили масив ALMA, VLBA на Националната радиоастрономическа обсерватория в САЩ и със синтезния телескоп с размерите на Земята Event Horizon Telescope. Кредит: Event Horizon Telescope Collaboration, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; JC Algaba, I. Martí-Vida}l

И все пак, нищо от това не бива да омаловажава колко е забележително това постижение. Чрез комбиниране на ефектите от светлината, която наблюдаваме директно от данните за поляризацията, можем по-точно да картографираме поведението на светлината, излъчвана от тази свръхмасивна черна дупка - съвсем вероятно най-масивната свръхмасивна черна дупка в рамките на ~ 100 милиона светлинни години от Земята.

Когато данните от черната дупка в центъра на нашата галактика най-накрая се сглобят правилно, ще е интересно да се сравнят. В момента има множество отворени въпроси, включително:

1. ще останат ли едни и същи части на черната дупка с течение на времето „светли“ или „тъмни“, или потоците от акреция ще мигрират във всички посоки в пространството?
2. колко голяма е магнитната подструктура около черната дупка в сравнение с хоризонта на събитията и съвпада ли тя между свръхмасивни и свръхмега-свръхмасивни черни дупки?
3. ще се наблюдава ли по-голяма фракция на поляризация за черни дупки с по-малки маси и дали това ще ни научи на нещо за въртенето на Фарадей?
4. ще има ли сравними температури, сила на магнитното поле и електронни плътности между тези две черни дупки или те ще бъдат различни?

Може би най-важното e, дали теоретичните изчисления, подтвърдени със симулации, които включват цялата актуална физика, ще се съгласуват с данните до такава необичайна степен, в каквато съвпадат с черната дупка в центъра на M87?

Само преди няколко години дори не знаехме дали е сигурно, че черните дупки имат хоризонт на събитията, тъй като никога не бяха наблюдавани толкова директно. През 2017 г. най-сетне са направени такива наблюдения. След две години бе публикувано първото директно изображение на черна дупка, което ни показа, че хоризонтът на събитията всъщност е реален, както бе предсказано, и че свойствата му се съгласуват с прогнозите на Айнщайн.

Сега, още две години по-късно, са добавени данните за поляризацията и вече можем да се възстановят магнитните свойства на плазмата, заобикаляща черната дупка, заедно с начина, по който тези характеристики се отпечатват върху излъчените фотони. Все още това е единствената снимка на черна дупка, направена директно, но може да се види как се променят с течение на времето светлината, поляризацията и магнитните свойства на плазмата около хоризонта на събитията.

"Отдалечени на повече от 50 милиона светлинни години, най-сетне започваме да разбираме как работят най-масивните, активни черни дупки във Вселената: захранвани от над 100 земни маси годишно и задвижвани от комбинацията от гравитацията и електромагнетизма на Айнщайн. С малко късмет ще имаме втора черна дупка, която е много различна, за да я сравним само след няколко месеца", заключава Итън Сийгъл.

Източник: Here’s Why Black Holes Are Crullers, Not Donuts, Starts With A Bang, Ethan Siegel

Още по темата

25/03/2021

Космос

Ново изображение на черната дупка в M87, показващо магнитните полета на ръба й (видео)

20/10/2020

Космос

Колко бързо се върти свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път?

10/04/2020

Космос

На тази дата бе показана първата реална снимка на сянката на черна дупка

04/10/2019

Космос

Скоро ще покажат първото видео на черна дупка