У 2017 та 2018 роках телескоп з апертурою розміром із Землю спостерігав те саме джерело — надмасивну чорну діру в центрі галактики M87, розташованої на відстані 55 мільйонів світлових років. Event Horizon Telescope (EHT) — це не один інструмент, а мережа радіотелескопів по всій планеті, які працюють синхронно, утворюючи віртуальну антену планетарного масштабу. Саме така конструкція дозволила у 2019 році отримати перше в історії зображення тіні чорної діри, а тепер — перевірити, наскільки стабільна ця картина в часі.
Головний результат нового дослідження простий у формулюванні, але важливий за змістом: кільце навколо чорної діри M87 у 2018 році має той самий діаметр, що й у 2017-му. Це підтверджує, що спостережувана структура — не випадковість обробки даних, а реальна фізична деталь, породжена викривленням світла масивним об'єктом. Водночас найяскравіша ділянка кільця змістилася — з південного сходу на південний захід. Автори статті, опублікованої в журналі Astronomy & Astrophysics, пояснюють, чому це зміщення не суперечить, а навпаки, підтверджує сучасні моделі чорних дір.
Бібліотека GRMHD-моделей проти реальних знімків
Щоб інтерпретувати спостереження, команда EHT побудувала нову бібліотеку зображень на основі загальної релятивістської магнітогідродинаміки (GRMHD) — методу, який описує рух намагніченої плазми поблизу горизонту подій з урахуванням ефектів загальної теорії відносності. Моделі враховують два сценарії акреційного диска: вирівняний з віссю обертання чорної діри та нахилений відносно неї. Крім того, у моделях по-різному параметризовано випромінювання плазми — з тепловим (термальним) та нетепловим розподілом електронів, що впливає на яскравість і форму синтетичного зображення.
Порівнявши тисячі змодельованих зображень зі спостереженнями 2017 та 2018 років, дослідники дійшли висновку: дані узгоджуються з моделями, де вектор спіну чорної діри спрямований від Землі. Це підтверджує висновок попередніх робіт і додає йому ваги — тепер він базується на двох незалежних епохах спостережень, а не на одній.
Другий важливий результат стосується орієнтації акреційного диска. Нахилені моделі — ті, де диск обертається не в одній площині з віссю обертання самої чорної діри, — не змогли добре відтворити реальні дані жодної з двох епох. Це означає, що акреційний потік навколо M87∗, найімовірніше, вирівняний з віссю обертання чорної діри, принаймні в масштабах, доступних для спостереження EHT.
Турбулентність плазми як пояснення зміщення яскравої плями
Найцікавіше питання статті — чому найяскравіша частина кільця "переїхала" з південного сходу на південний захід за один рік. Автори показують, що це природний наслідок турбулентного характеру акреції речовини на чорну діру: плазма поблизу горизонту подій не тече рівномірно, а утворює хаотичні згустки й вихори, які постійно змінюють розподіл яскравості на зображенні.
Щоб перевірити цю ідею кількісно, дослідники порівняли моделі з протиобертанням (ретроградна акреція, коли диск обертається проти напрямку спіну чорної діри) і моделі зі співнапрямленим обертанням (програднa акреція). Ретроградні моделі виявилися більш турбулентними за своєю природою, і саме вони краще пояснюють обидві епохи спостережень одночасно. Це свідчення на користь того, що диск навколо M87∗ обертається у протилежному напрямку до спіну самої чорної діри — деталь, яка раніше залишалася невизначеною.
Прогноз для майбутніх спостережень джета
Виходячи з припущення, що вісь спіну чорної діри приблизно збігається з напрямком великомасштабного джета — потужного викиду речовини, який спостерігається в M87 на відстанях у тисячі світлових років від центру галактики, — команда сформулювала перевірювану статистичну закономірність. Найяскравіша частина кільця повинна найчастіше з'являтися на 90 градусів за годинниковою стрілкою від напрямку джета, спрямованого до спостерігача.
Це не постфактум-пояснення, а прогноз, який можна перевірити в майбутніх сесіях спостережень EHT. Якщо він підтвердиться на нових епохах даних, це стане додатковим аргументом на користь моделі вирівняного, турбулентного, ретроградного акреційного диска навколо надмасивної чорної діри M87∗. Спостереження проводилися з використанням приймача ALMA Band 6 в рамках програм 2017.1.00841.V та 2016.1.01154.V.
