Быстрее света в сердце М87: телескоп «Чандра» показал джет черной дыры в движении

Галактика Messier 87 уже знаменита снимком, который видели почти все: изображением черной дыры в ее центре, полученным телескопом Event Horizon. Однако самая впечатляющая черта этой черной дыры — вовсе не темное кольцо в ядре. Это джет — струя частиц, простирающаяся в космос на тысячи световых лет.

Теперь команда, работающая с рентгеновской обсерваторией NASA «Чандра», опубликовала самое четкое на сегодняшний день рентгеновское изображение этого джета. Объединив наблюдения, сделанные в период с 2012 по 2025 год, с усовершенствованным методом обработки снимков, исследователи сумели проследить за структурами внутри потока и увидеть, как они менялись на протяжении более чем десятилетия.

Результаты были обнародованы Рентгеновским центром «Чандра» 15 июня и представлены на собрании Американского астрономического общества. Сопроводительная статья доступна в виде препринта, так что к выводам следует относиться как к подробному исследовательскому отчету, который еще проходит стандартную научную процедуру рецензирования.

Джет, запущенный центральной черной дырой

M87 находится на расстоянии около 55 миллионов световых лет от нас. В ее центре расположена сверхмассивная черная дыра — та самая, что в 2019 году стала первой в истории, которую удалось сфотографировать напрямую. Падающее внутрь вещество не исчезает целиком за горизонтом событий: магнитные поля и вращающийся вокруг черной дыры диск способны перенаправить часть энергии вовне в виде узких высокоскоростных джетов.

В M87 один из таких джетов виден почти по всему электромагнитному спектру. Оптические, радио-, инфракрасные и рентгеновские наблюдения выявляют разные участки одного и того же экстраординарного потока. «Чандра» особенно ценна потому, что рентгеновское излучение прослеживает частицы, разогнанные до экстремальных энергий. Более ранние рентгеновские снимки показывали джет, но часть тонких структур сливалась и размывалась. В новом анализе использована деконволюция — метод восстановления деталей из телескопического изображения с учетом отклика прибора. Такой подход позволил привести рентгеновскую картину в более тесное соответствие с деталями, видимыми на снимках «Хаббла» и «Уэбба».

Почему некоторые узлы «обгоняют» свет

Исследователи обнаружили, что одни структуры в джете выглядят почти неподвижными, тогда как другие стремительно меняют положение. Самая быстрая деталь, казалось, перемещалась почти с пятикратной скоростью света. Ничто в джете на самом деле не нарушает теорию относительности. Это эффект, называемый кажущимся сверхсветовым движением. Если вещество летит с околосветовой скоростью под углом, направленным в сторону Земли, свету от более поздних позиций приходится преодолевать меньшее расстояние, чем свету, испущенному раньше. В проекции на небесную сферу движение может выглядеть быстрее света. Это чисто геометрический эффект, а не космическая лазейка в законах физики.

Это различие важно, потому что кажущееся движение все равно сообщает астрономам нечто реальное: в джете присутствуют различные области, которые движутся и разгораются по-разному. Поток не является гладким и неизменным лучом.

Лаборатория экстремальной физики

Джеты черных дыр влияют на свои галактики: они способны разогревать газ, уносить энергию из центра и менять условия звездообразования. Поэтому понимание механизма ускорения частиц внутри джета выходит далеко за пределы одной знаменитой черной дыры. Команда «Чандры» отмечает, что новая рентгеновская картина согласуется с моделями, в которых ударные волны внутри потока совместно с магнитными полями формируют наблюдаемые структуры. Кроме того, это дает астрономам нечто редкое: возможность наблюдать, как явление в далекой галактике эволюционирует на временных масштабах, сопоставимых с человеческой жизнью.

Новая работа не заменяет знаменитый снимок черной дыры — она добавляет к нему движение. Вместо единственного исторического кадра астрономы начинают следить за поведением струи, которую черная дыра запускает в межгалактическое пространство.

Что меняет обработка изображений

Деконволюция — не способ придумать детали. Это математический метод, использующий известную функцию рассеяния точки телескопа, чтобы оценить, какие структуры в наибольшей степени соответствуют зарегистрированным данным. Команда может сравнивать «обостренные» рентгеновские детали со снимками других обсерваторий — полезная перекрестная проверка при работе на пределе разрешающей способности прибора. В случае M87 это особенно важно, потому что джет — движущаяся мишень. Лучше разрешенные структуры позволяют определить, сместился ли яркий узел, потускнел или распался на более мелкие компоненты за прошедшее время.

База наблюдений, охватывающая десятилетие, — вот тихая сила этого проекта. Десять лет снимков способны отделить кратковременную вспышку от подлинного изменения в потоке — то, чего один-единственный эффектный кадр сделать не в состоянии.

Источники: Рентгеновский центр «Чандра» (Chandra X-ray Center), препринт статьи на платформе arXiv, презентация на собрании Американского астрономического общества.