Большая часть мира узнала о проекте Event Horizon Telescope (EHT) в 2019 году после публикации первого в истории изображения черной дыры: M87*, сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87. Однако фактически EHT начал работу в 2009 году, и 15 лет его работы представляли собой процесс постоянного совершенствования интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) — метода, лежащего в основе изображений EHT.
До сих пор этот процесс в основном включал в себя максимальное использование существующих возможностей EHT. Однако, как описано в новой статье , опубликованной 27 августа в The Astronomical Journal , существенное обновление этих возможностей неизбежно. В статье сообщается об успешных тестовых наблюдениях, проведенных за светом с частотой 345 ГГц, что является значительным улучшением по сравнению с 230 ГГц, на которых в настоящее время работает EHT. Это представляет собой первое улучшение за десятилетия способности VLBI измерять высокочастотный свет, что является критическим фактором повышения качества будущих изображений EHT.
Возможность захвата изображений на частоте 345 ГГц позволит EHT делать снимки удаленных объектов, таких как M87*, со значительно более высокой детализацией; создавать составные многоцветные изображения; и, возможно, после завершения запланированных обновлений EHT, снимать фильмы этих объектов. Материалы, сопровождающие статью, включали моделирование того, как могут выглядеть такие составные изображения.
Шепард Доулман, ведущий автор статьи и директор-основатель проекта EHT, рассказал Popular Science , что этот прогресс можно сравнить с одной из важных вех на пути к успешной высадке на Луну: «Это как «Аполлон-8», миссия, которая отправила Фрэнка Бормана, Джеймса Ловелла и Уильяма Андерса на орбиту Луны и подарила нам знаменитую фотографию голубого мрамора. [Нам еще] предстоит пройти долгий путь, но мы почти у цели».
VLBI работает, используя глобальный массив телескопов , каждый из которых наведен на один и тот же объект. Расстояние между каждым телескопом означает, что свет от объекта достигнет каждого датчика в немного разное время. Это означает, что волновой фронт этого света достигнет каждого телескопа в немного разную точку своего периода. Объединение изображений телескопов создает интерференционную картину, которую затем можно использовать для реконструкции одного изображения с уровнем детализации, превышающим тот, который может быть измерен любым одним телескопом. Поскольку VLBI позволяет нескольким обсерваториям действовать как один массивный телескоп, EHT часто описывают как «телескоп размером с Землю».
Основной принцип любого телескопа заключается в том, что есть два ключевых фактора, которые определяют его способность разрешать удаленные объекты: его размер и частота света, которую он может измерить. Хотя природа EHT делает его гораздо более сложным, чем базовый оптический телескоп, этот принцип остается тем же самым — и, как указывается в сопроводительном заявлении , «поскольку EHT уже был размером с нашу планету, увеличение разрешения наземных наблюдений требовало расширения его частотного диапазона».
Однако сделать это оказалось чрезвычайно сложно. Изображение M87* и похожее изображение, опубликованное три года спустя, Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, были получены с использованием света с длиной волны 1,3 мм, что соответствует частоте 230 ГГц. (Чем меньше длина волны света, тем выше его частота, поскольку меньшее расстояние между пиками его волны означает, что больше пиков могут достичь датчика за определенный период времени.)
Эта длина волны на протяжении десятилетий представляла собой передовой диапазон РСДБ; первые измерения на этом уровне были проведены в 1989 году, и, как поясняется в статье, большая часть работы по улучшению разрешения EHT была выполнена за счет увеличения размера его массива телескопов, а также повышения чувствительности датчиков этих телескопов.
Вот почему новая статья так важна: она описывает первое улучшение измеряемой длины волны VLBI за 25 лет. Авторы сообщают о нескольких успешных измерениях на 870 мкм (0,87 мм), что соответствует частоте 345 ГГц. Это улучшает угловое разрешение EHT примерно на 50%, позволяя ему захватывать изображения, которые более четкие и подробные, чем на 1,3 мм. Это также позволяет комбинировать новые, более четкие изображения с изображениями, полученными на более длинных волнах, для создания составных многоцветных изображений.
В статье также объясняется, почему так сложно выйти за пределы 1,3 мм. Атмосфера Земли имеет тенденцию поглощать больше света на 870 мкм, чем на 1,3 мм, а это означает, что меньше этого света с более низкой длиной волны достигает датчиков массива EHT. Атмосферные помехи также означают, что свет, который достигает земли, более шумный и более ослабленный, и, что еще хуже, эффективность телескопов снижается на более высоких частотах.
Эти проблемы были преодолены благодаря технологическим достижениям — в статье упоминается «постоянное улучшение соединений сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS)», которые «стали основой для увеличения пропускной способности и чувствительности [приемника]» и сыграли решающую роль в успехе тестовых наблюдений 870 мкм. Однако в ней также подчеркивается важность глобального сотрудничества и коммуникации, учитывая природу EHT как «общего международного усилия независимых обсерваторий». Один из ключевых факторов в достижении успешных измерений 870 мкм был гораздо более прозаичным, чем технологии космической эры: он гарантировал, что каждое наблюдение проводилось при оптимальной погоде.
Планируемые обновления EHT, именуемые в совокупности «следующим поколением EHT» (ngEHT) , будут еще больше опираться на глобальное сотрудничество, добавляя больше обсерваторий к массиву и позволяя использовать несколько длин волн для внесения вклада в одно и то же изображение. Доулман говорит, что этот результат является «ступенькой к полноцветным фильмам высокой четкости о фильмах о черных дырах… это очень большой шаг!»
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
