Успешная фиксация периодического движения джета

10 апреля 2019 года астрономы, работавшие в разных точках мира, одновременно опубликовали первую фотографию черной дыры, расположенной в центре соседней галактики M87, в 55 миллионах световых лет от Земли. Она в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца. Подобные ей сверхмассивные черные дыры — одни из самых загадочных и разрушительных объектов во Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что они не только "съедают" огромное количество материи через аккреционные диски, но и "выплевывают" ее на тысячи световых лет со скоростью, близкой к скорости света, тем самым образуя джеты.

"Странный прямой луч исходил из центра туманного светового пятна". Джет в черной дыре галактики M87 впервые был замечен астрономами в 1918 году и стал первой космической струей, наблюдаемой человеком. Каков же механизм передачи энергии между сверхмассивными черными дырами, аккреционными дисками и джетами? Этим вопросом физики и астрономы задаются уже более ста лет.

В настоящее время общепринятой среди ученых является теория, согласно которой источником энергии является угловой момент черной дыры. По одной из версий, если вблизи этого небесного объекта существует магнитное поле, а сам он находится во вращающемся состоянии, то возникает электрическое поле, как если бы проводник прорезал линию магнитного поля. Это приводит к ускорению ионизированных тел вокруг черной дыры, и в конечном итоге часть материи выбрасывается вместе с огромным количеством энергии. Ключевым фактором в этой теории является гипотеза, что сверхмассивная черная дыра вращается. Однако параметры ее вращения чрезвычайно трудно измерить, и до сих пор прямых наблюдательных доказательств того, что это небесное тело способно на подобные перемещения, не было.

Для решения этой сложной задачи исследователи долгое время изучали черную дыру в центре галактики M87 и ее джет. С помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) — метода со сверхвысоким угловым разрешением — астрономы проверили структуру струи в непосредственной близости от черной дыры. Анализируя данные РСДБ-наблюдений в период с 2000 по 2022 год, они зафиксировали периодическую прецессию струи в M87 (прецессия — явление, при котором на вращающееся твердое тело действует внешняя сила, заставляющая его ось вращения сосредоточиться вокруг определенного центра).

Что же это за сила, которая может регулярно менять направление такой мощной струи? Проведя всесторонний анализ, исследовательская группа пришла к выводу, что ответ на этот вопрос может быть скрыт в кинетической природе аккреционного диска. Материя с определенным угловым моментом будет крутиться вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск, и под действием гравитации будет притягиваться все ближе и ближе к дыре, пока та не "засосет" ее. Однако угловой момент аккреционного диска может зависеть от многих случайных факторов. Вполне вероятно, что он составляет определенный угол с осью вращения черной дыры. При этом супергравитация дыры оказывает существенное влияние на окружающее пространство-время, притягивая близлежащие объекты вдоль направления вращения черной дыры, то есть оказывая "эффект притяжения в системе отсчета", предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна. Результат — периодическая прецессия аккреционных дисков и струй.

Основываясь на наблюдениях, научная группа провела множество детальных теоретических исследований и анализов, а также новейшее численное моделирование с использованием суперкомпьютеров, при этом учитывая свойства M87. Результаты моделирования подтверждают, что, когда ось вращения аккреционного диска находится под углом к аналогичной оси черной дыры, весь аккреционный диск движется за счет эффекта сопротивления системы отсчета, и джеты также перемещаются под влиянием диска. Обнаружение прецессии струй предоставляет убедительные наблюдательные доказательства движения черной дыры в центре M87 и позволяет по-новому взглянуть на природу этих сверхмассивных небесных объектов.

"Мы очень рады, даже счастливы, что нам удалось сделать это важное открытие. В 2017 году, при обработке данных EAVN (Восточноазиатской сети РСДБ. — Прим. пер.) по галактике M87, я увидел, что структура джета явно находилась в другом направлении, чем ранее. С того момента мы шесть лет тщательно обрабатывали имеющиеся данные, проводили обширные исследования теоретических статей и бесчисленное количество раз обсуждали это с коллегами". Цуй Юйчжу, ведущий автор статьи, постдокторант лаборатории Чжицзян, отметил, что из-за малого угла между осью вращения черной дыры и угловым моментом аккреционного диска, а также периода прецессии, составляющего более десяти лет, для получения результата потребовалось копить данные высокого разрешения за два цикла общей продолжительностью около 23 лет, а также тщательно проанализировать структуру M87.

"Я очень благодарен за помощь и поддержку многих коллег, а также за ценные замечания редакторов и рецензентов журнала. Стоит отметить, что одним из рецензентов нашей статьи является Джеймс Моран, легенда в области радиоастрономических исследований на РСДБ", — сказал Цуй Юйчжу.

Сообщается, что в данной работе использовались данные 170 баз наблюдений из нескольких международных сетей, включая Восточноазиатскую сеть РСДБ (EAVN), Антенную решетку со сверхдлинными базами (VLBA) в США, объединенную сеть KVN в Корее и массив VERA (KaVA) в Японии, а также объединенную сеть наблюдений EATING, в которую входят государства от Восточной Азии до Италии и России. В исследовании задействовались более 20 радиотелескопов по всему миру.

Доктор Мотоки Кино из университета Когакуин (Япония), координатор научной рабочей группы EAVN по активным галактическим ядрам, сказал: "Это захватывающая научная веха. Благодаря многолетним совместным наблюдениям ученых из 45 учреждений по всей планете мы наконец-то раскрыли эту научную тайну. Данные наблюдений прекрасно согласуются с предсказаниями модели прецессии, значительно расширяя наше понимание черных дыр и струйных систем".

"На основании этой работы мы предположили, что существует гораздо больше черных дыр в центре галактик с аналогичными наклонными структурами аккреционных дисков, но задача по обнаружению большего числа объектов с наклонными дисками куда сложнее. Остается еще много загадок, которые требуют более длительных наблюдений и более детального анализа", — сказал Шэнь Чжицян, научный сотрудник Шанхайской астрономической обсерватории при Китайской академии общественных наук и один из важных соавторов исследования. Он добавил, что "после завершения недавно начавшегося строительства 40-метровый радиотелескоп Шанхайской астрономической обсерватории в Шигацзе расширит возможности наблюдения EAVN за изображениями в миллиметровом диапазоне с высоким разрешением и, как ожидается, приведет к новым астрономическим открытиям".

Цуй Юйчжу отметил, что тонкая структура аккреционного диска и точное значение вращения сверхмассивной черной дыры М87 требуют дальнейшего изучения. Будущие исследования зависят от перебора очень большого числа физических параметров, для чего необходима поддержка сверхинтеллектуальных вычислительных мощностей.

В настоящее время в лаборатории Чжицзян создана открытая платформа FAST@ZJLAB для интеллектуальных вычислений в астрономии. Она объединяет 17 интеллектуальных алгоритмов. На ее основе были созданы научные базы данных BlinkVerse, ChemiVerse и другие в таких областях, как быстрые радиовсплески, астрохимия и так далее. Кроме того, был установлен стабильный канал передачи данных с китайским Sky Eye FAST, благодаря чему астрономические большие данные (Big Data) продолжают поступать в лабораторию.

Ли Ди, главный научный сотрудник китайского Sky Eye FAST и главный исследователь отдела астрономических вычислений лаборатории Чжицзян, отметил, что в будущем будет создаваться все больше радиотелескопов, что приведет к взрывному росту наблюдательных данных. Астрономические исследования же все чаще нуждаются в поддержке интеллектуальных вычислений. Лаборатория Чжицзян внедряет искусственный интеллект, облачные вычисления и другие технологии в свои работы, чтобы повысить эффективность обработки данных и расширить пространство для изучения физических параметров. Предполагается, что глубокая интеграция вычислительной науки и радиоастрономии в лаборатории Чжицзян станет способствовать раскрытию природы загадочных явлений во Вселенной, таких как черные дыры.