Астрономи вперше отримали пряме візуальне зображення надмасивної чорної діри в центрі галактики М 87 і її тіні.
Чорні діри - незвичайні космічні об'єкти, що мають гігантські маси і виключно компактні розміри. Їх гравітація настільки велика, що не дозволяє «втекти» навіть світлу. Однак навіть надмасивні чорні діри з масами понад 100 тисяч мас Сонця, виявлені в центрах багатьох галактик, в тому числі і нашого Чумацького шляху, являють собою порівняно малі об'єкти, що досі унеможливлювало їх пряме спостереження.
Чорні діри раніше виявляли завдяки тому, що вони мають дуже сильний вплив на свої околиці, деформуючи простір-час і нагріваючи навколишню їхню речовину до екстремальних температур. Часто вони породжують високошвидкісні струмені плазми - джети, що мають сильне випромінювання.
Однак, коли чорна діра занурена в яскравий диск газу, в місці її розташування повинна бути видна темна область, що нагадує тінь. Вона утворюється внаслідок гравітаційного викривлення світла і його захоплення горизонтом подій. Це явище, передбачуване загальною теорією відносності Ейнштейна, ніколи раніше не спостерігалося.
Область тіні - максимально можливе наближення до зображення самої чорної діри, повністю темного об'єкта, який не випускає із себе світло. Тінь має бути оточена світловим кільцем, що виникає через те, що чорна діра працює подібно до лінзи. Справжня межа чорної діри - «горизонт подій» приблизно в 2,5 рази менше тіні, яку він відкидає.
Використовуючи систему з восьми наземних радіотелескопів, що отримала назву Телескоп горизонту подій, і нові алгоритми обробки сигналу, астрономам вдалося вперше в історії отримати зображення тіні надмасивної чорної діри в центрі галактики М 87. Воно являє собою кільцеобразну структуру з темною центральною областю. Революційні результати спостережень представлені в серії з шести статей, опублікованих у спеціальному випуску журналу The Astrophysical Journal Letters.
Дослідники порівняли отримані результати з великою колекцією комп'ютерних моделей, що відображають фізичні особливості викривленого простору, нагрітого до надвисоких температур речовини і сильних магнітних полів. Багато властивостей отриманого зображення несподівано добре відповідають теоретичним уявленням. Це дає впевненість у правильності інтерпретації спостережень, у тому числі і оцінок маси чорної діри.
Галактика M 87 зі скупчення галактик у сузір'ї Діви була обрана для спостережень не випадково. Розміри горизонту подій чорної діри пропорційні її масі, тому, чим масивніша чорна діра, тим більше її тінь. Завдяки своїй величезній масі (6,5 мільярдів сонячних мас) і відносній близькості до Землі (вона знаходиться від нас на відстані 55 мільйонів світлових років) чорна діра в центрі галактики M 87 для земного спостерігача є однією з найбільших за своїми кутовими розмірами, що і зробило її ідеальною мішенню для дослідження. Поперечник її тіні трохи менше 40 мільярдів кілометрів.
Телескоп горизонту подій (Event Horizon Telescope, EHT) був створений саме для отримання зображень чорних дір. Він являє собою систему з восьми наземних радіотелескопів, розташованих в різних місцях Землі: ALMA, APEX (Чилі), 30-метровий телескоп IRAM (Іспанія), телескоп Джеймса Клерка Максвелла і Субмілліметрова решітка (Гаваї), Великий міліметровий телескоп Альфонсо Серрано (Мексика), Субміліметровий телескоп (США) і телескоп на Південному полютісі).
Створення EHT було технічним завданням найбільшої складності, рішення якої зажадало створення і налагодження всесвітньої мережі з восьми радіотелескопів, встановлених у важкодоступних високогірних місцевостях: на вершинах вулканів на Гавайських островах і в Мексиці, в горах Арізони в США і Сьєрра Невади в Іспанії, в чилійській високогірній пустелі Атакама і в Антарктиці.
Робота EHT заснована на застосуванні методу інтерферометрії з надденною базою, який передбачає синхронізацію всіх телескопів мережі і використовує обертання нашої планети для утворення єдиного гігантського глобального телескопа розміром із земної кулі, що працює на хвилі 1,3 мм. Сучасні алгоритми обробки дозволили EHT досягти кутового дозволу в 20 мікросекунд дуги, що відповідає здатності читати нью-йоркську газету з паризького кафе.
Петабайти отриманих цими телескопами спостережних даних були підсумовані високоспеціалізованими суперкомп'ютерами, встановленими в Інституті радіоастрономії Макса Планка (Німеччина) і обсерваторії Хейстек (MIT, США). Ці дані після складних процедур обробки з використанням новітніх обчислювальних методів, розроблених учасниками колаборації, перетворювалися на зображення.
У роботі взяло участь понад 200 астрономів з Африки, Азії, Європи, Північної і Південної Америки. Створення
EHT і спостереження, результати яких демонструються сьогодні, є кульмінацією спостережних, технічних і теоретичних робіт, що тривали протягом десятиліть. Це приклад глобальної кооперації, яка зажадала тісної спільної роботи дослідників усього світу. Щоб створити EHT з вже існуючих раніше прапорів, знадобилися об'єднані зусилля тринадцяти інститутів-партнерів і підтримка безлічі агентств. Основне фінансування було забезпечено Національним фондом наукових досліджень США (NSF), Європейською радою з наукових досліджень ЄС (ERC) і фінансовими організаціями Східної Азії. Отриманий результат базується на десятиліттях європейських досліджень у галузі астрономії міліметрових хвиль.
За матеріалами ESO