Зображення тіні надмасивної чорної діри M87*, оприлюднене Event Horizon Telescope (EHT) у 2019 році, стало одним із символів сучасної астрофізики. Яскраве асиметричне кільце на тлі темної тіні — це світіння розпеченої плазми навколо горизонту подій. Але яскравість цього кільця розподілена нерівномірно, і саме ця нерівномірність виявилася джерелом інформації про те, як швидко обертається сама чорна діра.

Нову роботу опублікували в The Astrophysical Journal дослідники з колаборації EHT на чолі з Вадимом Бернштейном. M87* — це чорна діра масою 6,5 мільярда мас Сонця, розташована в центрі галактики M87 на відстані 55 мільйонів світлових років від Землі. Її маса настільки велика, що горизонт подій за розмірами перевищує орбіту Плутона в Сонячній системі.

Три епохи спостережень проти бібліотеки симуляцій

Команда порівняла дані EHT за 2017, 2018 та 2021 роки з великою бібліотекою симуляцій, побудованих у рамках загальної теорії відносності з магнітогідродинамікою (GRMHD). Такі моделі відтворюють поведінку плазми, що обертається навколо чорної діри, для різних значень її спіну — параметра обертання, який позначають a*. Значення 0 відповідає нерухомій чорній дірі, 1 — максимально можливому обертанню.

Для кожного значення спіну модель передбачає власний типовий розподіл асиметрії яскравості кільця. Порівнюючи реальні спостереження з цими передбаченнями для трьох незалежних епох, дослідники змогли звузити діапазон допустимих значень спіну M87*.

Сильне магнітне поле дає чіткіший сигнал

Ключовий результат стосується так званих MAD-моделей — сценаріїв із сильно намагніченим акреційним диском (magnetically arrested disk). Для цього класу моделей дані трьох епох спостережень виключають дуже повільне обертання: **|a*| ≲ 0,2**. Іншими словами, чорна діра обертається, і це обертання помітне на статистичному рівні.

Такий результат узгоджується з механізмом Бленфорда—Знайєка — теоретичною моделлю, яка пояснює, як обертання чорної діри перекачує енергію в потужний релятивістський джет, що вирвався з ядра M87 на тисячі світлових років. Якщо джет справді живиться обертанням, спін не може дорівнювати нулю — і саме це підтверджують дані.

Блукаюча пляма як відбиток обертання

Асиметрія кільця виникає не через якийсь один ефект, а через складну взаємодію кількох релятивістських явищ: доплерівське підсилення світла від плазми, що рухається до спостерігача швидше, ніж від тієї, що рухається від нього; гравітаційне лінзування, яке викривляє траєкторії фотонів поблизу горизонту подій; і закручування простору-часу — ефект, який чорна діра, що обертається, чинить на все навколо себе. Усі ці фактори залежать від значення спіну.

Плазма в акреційному диску турбулентна, тому яскрава пляма на кільці не стоїть на місці — вона постійно «блукає» навколо кільця. Здавалося б, це має заважати вимірюванням. Але дослідники показали, що статистичний розподіл цих флуктуацій — тобто те, наскільки часто і сильно змінюється положення й яскравість плями протягом часу — унікальний для кожного значення спіну. Це і є той «відбиток пальця», який дозволив відрізнити повільне обертання від швидкого навіть попри турбулентність.

Що дадуть майбутні спостереження

Автори роботи також оцінили, наскільки точнішими можуть стати обмеження на спін M87* за рахунок майбутніх сеансів спостережень EHT. Більше епох даних і вища чутливість телескопа дозволять не просто звузити діапазон допустимих значень a*, а й, можливо, розрізнити різні механізми запуску джетів та сценарії того, як чорна діра росла й накопичувала свою масу протягом мільйонів років. Кільце M87* залишається дійовим інструментом для перевірки загальної теорії відносності в найекстремальніших умовах, які тільки можна спостерігати.