Зображення тіні чорної діри — темного силуету на тлі світного кільця розжареного газу — стало одним з найяскравіших досягнень астрофізики останніх років. Команда Event Horizon Telescope отримала такі знімки для чорної діри Стрілець А* у центрі Чумацького Шляху та для чорної діри в центрі галактики М87. Але на цьому список вичерпується. Роздільної здатності наземних мереж радіотелескопів просто не вистачає, щоб побачити подібні деталі в будь-якого іншого об'єкта.
Причина проста: чим більша відстань між приймачами інтерферометра, тим вища роздільна здатність. Наземна мережа обмежена діаметром Землі. Щоб піти далі, потрібен приймач у космосі. Саме таку місію пропонують під назвою Black Hole Explorer (BHEX) — космічний міліметровий/субміліметровий VLBI-телескоп, який працюватиме разом із наземними станціями як єдиний надвеликий інструмент.
Скільки чорних дір можна побачити
Автори нового дослідження провели серію симуляцій спостережень, щоб оцінити, скільки саме об'єктів BHEX здатна дослідити на рівні горизонту подій. За основу взяли нещодавно розроблену модель просторової щільності надмасивних чорних дір у ближній Всесвіті.
Результати такі: для 70-90 джерел BHEX зможе оцінити масу чорної діри, вимірявши розмір випромінюючої області навколо неї. Для 20-30 джерел буде можливо побудувати карту лінійної поляризації випромінювання — а це прямий спосіб дослідити структуру магнітних полів біля горизонту подій, які, як вважається, керують процесами акреції речовини та формуванням джетів. Нарешті, для 20-25 об'єктів роздільна здатність місії буде достатньою, щоб безпосередньо розгледіти саму тінь чорної діри.
Окремо автори розглянули сценарій цільових спостережень — коли телескоп спрямовують не на всю доступну популяцію, а конкретно на приблизно 50 найближчих надмасивних чорних дір. У цьому випадку очікується отримати виміри розмірів приблизно для 30 джерел, а тіні та поляризаційні патерни — приблизно для 10.
Цільові спостереження близько 50 найближчих надмасивних чорних дір мають дати виміри розмірів для приблизно 30 джерел та тіні й поляризаційні патерни ще для 10.
Як перевіряли прогнози
Щоб оцінки не залишалися суто статистичними, дослідники провели детальніші симуляції зображень для одинадцяти конкретних близьких надмасивних чорних дір. Для цього використали моделі загальнорелятивістської магнітогідродинаміки (GRMHD) — обчислювальні моделі, які описують, як речовина, розжарена до мільйонів градусів, рухається в сильному гравітаційному полі поблизу чорної діри й випромінює світло, спотворене викривленням простору-часу.
Такі детальні симуляції потрібні, бо реальні чорні діри дуже різні між собою. Вони відрізняються темпами акреції речовини — тобто наскільки активно чорна діра "живиться" навколишнім газом, яскравістю в радіодіапазоні, типом галактики-господаря та кутом, під яким акреційний диск видно спостерігачеві із Землі. Одинадцять обраних об'єктів охоплюють цей діапазон умов, що дозволяє перевірити, наскільки надійні загальні прогнози щодо всієї популяції.
Чому це змінює правила гри
Досі дослідження чорних дір на рівні горизонту подій обмежувалося двома унікальними випадками. Це серйозно ускладнює будь-які узагальнення: неможливо сказати, чи типова тінь Стрільця А* для чорних дір такої маси, чи закономірності поляризації в М87 властиві лише активним галактикам певного типу.
Якщо BHEX запустять, астрономи вперше отримають систематичну вибірку — десятки об'єктів з різними властивостями замість двох одиничних прикладів. Це відкриє можливість перевіряти передбачення загальної теорії відносності в різних гравітаційних умовах, вивчати, як магнітні поля впливають на формування джетів у різних типах галактик, і зрештою зрозуміти, наскільки універсальні фізичні процеси, які відбуваються біля горизонту подій чорних дір.
