Оранжевый размытый бублик с чёрной серединой обошёл весь мир в 2019 году. Так выглядела первая реконструкция тени чёрной дыры M87*. Позже появились сомнения: а вдруг кольцо возникло при обработке сигналов телескопов?
Независимая команда из Австралии вернулась к наблюдениям и собрала изображение другим способом. Кольцо никуда не делось. Вышедшая 11 ноября работа в Nature не превращает старую картинку в обычную фотографию, но подтверждает её главную форму.
Почему снимок вообще вызвал вопросы
Чёрная дыра находится в центре галактики M87, примерно в 55 миллионах световых лет от нас. Её масса, по новой оценке, составляет около 6,5 миллиарда масс Солнца. Но даже такой гигант на этом расстоянии занимает в небе ничтожную область.
Чтобы её рассмотреть, участники проекта Event Horizon Telescope, или EHT, связали радиотелескопы в разных точках Земли. Вместе они работают как виртуальный инструмент с разрешением, сопоставимым с возможностями телескопа размером с планету. Это не одна сплошная тарелка: между обсерваториями остаются огромные промежутки, и исходная информация получается неполной. В наблюдениях 2017 года участвовали семь обсерваторий, в том числе ALMA и APEX в Чили, а также телескопы на Гавайях и в Мексике.
Из этих разрозненных сигналов ещё надо собрать изображение. Задача похожа на сборку пазла, когда часть деталей потерялась: итог зависит и от имеющихся кусочков, и от способа заполнить пробелы. Мешают атмосфера и ошибки калибровки приборов. Поэтому учёным важно проверить, сохраняется ли форма при обработке другим способом.
Сомнения появились не на пустом месте. Другая группа учёных изменила настройки обработки тех же данных и получила картинку без ясного кольца. Существование чёрных дыр из-за этого под вопрос не попало, но точность знаменитого изображения требовала проверки.
Те же данные, другой способ сборки
Четверо сотрудников австралийского научного агентства CSIRO разработали алгоритм GenDIReCT. Как объясняет CSIRO, он использует сочетания сигналов трёх станций, чтобы уменьшить влияние ошибок отдельных телескопов. Исследователи применили машинное обучение для реконструкции изображения.
Образец чёрной дыры программе не показывали. Для обучения взяли изображения, не связанные с астрономией; затем модель работала с данными наблюдений. Совсем без предварительных представлений она, впрочем, не обходилась: из учебных картинок алгоритм усвоил некоторые общие свойства изображений.
Команда взяла открытые данные EHT за восемь отдельных дней наблюдений: четыре дня в 2017 году, два в 2018-м и два в 2021-м. Для каждого набора исследователи проверяли несколько размеров поля изображения. На всех наборах получилась компактная кольцевая структура; на менее качественных данных она иногда была менее отчётливой.
У окна, в котором программа собирает изображение, есть границы. Слишком узкое окно может отсечь часть картины. Учёные попробовали три размера: на лучшем наборе каждого года кольцо сохранялось во всех случаях, хотя его детали могли выглядеть по-разному.
У этой проверки есть важная особенность. Телескопы не наблюдали M87* заново специально для работы 2026 года. Авторы взяли уже собранные измерения EHT, в том числе те, на которых основана картинка 2019-го, и добавили наборы последующих лет. Новым был способ обработки. Авторы сравнили результаты реконструкций между собой и с опубликованными результатами коллаборации.
Что показало кольцо
На небе кольцо занимает 42,2 ± 1,5 микросекунды дуги: это его угловой, а не привычный нам линейный диаметр. Зная принятые расстояние до галактики и соотношения в модели, авторы получили оценку массы M87*: 6,5 ± 0,5 миллиарда масс Солнца. Она согласуется с прежними расчётами.
Светлое кольцо на опубликованном в 2019 году изображении — не поверхность чёрной дыры. Оно показывает радиоизлучение вещества в её окрестностях, путь которого искажён сильной гравитацией. Тёмная центральная область связана с тенью чёрной дыры. Оранжевые оттенки помогают представить интенсивность радиоизлучения: обычный фотоаппарат таких цветов не снял бы.
С мелкими деталями уверенности меньше. Толщина кольца и яркость его центра заметно меняются в зависимости от способа обработки, пишут авторы. А скорость вращения самой чёрной дыры по этим изображениям определить не удалось.
Директор коллаборации EHT Лоран Луинар приветствовал проверку: по его словам, независимый метод воспроизвёл кольцо в данных разных лет и пополнил инструментарий исследователей. Для знаменитого изображения это хороший результат: к похожему выводу пришли другим путём, хотя работа над деталями продолжается.
Источники и изображения
Исследование в Nature; сообщение CSIRO. Обложка: Event Horizon Telescope Collaboration, реконструкция 2019 года по данным 2017 года; источник изображения, CC BY 4.0; кадрирование и уменьшение. Фото ALMA: ESO, CC BY 4.0.
