Квазар возрастом 6 миллиардов лет вращается с почти максимально возможной скоростью

Сверхмассивные черные дыры — мощные двигатели, всасывающие материю и энергию и не возвращающие почти ничего. Несмотря на их размер и влияние, они также относительно небольшие, что затрудняет детальные наблюдения. По этой причине, большая часть данных, которые имеются у астрономов, собраны на основе материи, которая закручивается вокруг черной дыры, а не на основе свойств самой черной дыры.

На днях, рассматривая четыре отдельных снимка одной и той же черной дыры, астрономы Р. К. Райс, М. Т. Рейнольдс, Дж. М. Миллер и Д. Дж. Уолтор выяснили, что она вертится так быстро, насколько это вообще физически возможно. Или близко к этому. Вероятнее всего, черная дыра раскручивалась небольшим числом слияний с другими черными дырами, а не постепенным увеличением «съеденной» массы.

Впервые появилась возможность измерить вращение черной дыры вне локальной Вселенной, и стало это возможно только потому, что свет от этой черной дыры был увеличен галактикой, лежащей по счастливой случайности между ней и Млечный Путем. Тем не менее эта случайность означает, что будет трудно повторить этот метод для большинства других черных дыр.

Черные дыры не излучают свет самостоятельно, однако материя, закручивающаяся вокруг них, нагревается из-за столкновения и ускорения магнитными полями. Материя излучает свет, что делает сверхмассивные черные дыры одними из самых ярких объектов в космосе.

Сверхмассивные черные дыры находятся в центре почти каждой галактики. Они весят в миллионы или миллиарды раз больше, чем Солнце. Поскольку астрономы наблюдают их даже в самых отдаленных галактиках, черные дыры должны были расти почти с самого начала истории Вселенной.

Вне зависимости от способа образования, черные дыры характеризуются тремя физическими величинами: массой, вращением и в редких случаях электрическим зарядом. Эта простота означает, что невозможно воссоздать историю черной дыры до нынешних наблюдений. В частности, если черная дыра вращается быстро, то скорее всего она образована двумя меньшими черными дырами — событием, которое образует быстрое вращение за короткое время — или постепенным наращиванием массы. Любой из этих процессов может придать импульс, необходимый для вращения черной дыры.

В результате лучшим способом понять эволюцию крупнейших черных дыр является изучение их вариантов во всей Вселенной. Сравнивая квазары — мощные струи, излучаемые черными дырами — в юных галактиках с более спокойными двоюродными братьями в соседних галактиках, астрономы могут создать покадровую эволюцию черной дыры. Сверхмассивные черные дыры в локальной Вселенной не такие яркие, как в прежние времена, поскольку теперь им не хватает материалов поблизости.

Настоящее исследование изучало количество света, отраженного квазаром, который более чем в 200 миллионов раз тяжелее Солнца. Этот квазар под названием RX J1131 – 1231  находится на 6,1 миллиарда световых лет от Земли, что слишком далеко, чтобы его можно было исследовать с высоким разрешением при обычных условиях.

Однако галактика, которая оказалась на прямой между нами и квазаром, создала гравитационную линзу. Согласно общей теории относительности, гравитация изгибает путь фотонов, то есть достаточно массивный объект может фокусировать свет. Самые сильные гравитационные линзы создают несколько увеличенное изображение удаленных объектов. В данном случае сила тяжести галактики разделила свет квазара на четыре отдельных изображения, каждое из которых по размерам сравнимо с галактикой.

Исследователи объединили четыре линзируемых изображения, тем самым получив в четыре раза больше данных. Они искали свет, который «отражается» от атомов железа, то есть поглощается и вновь излучает фотоны, и подсчитали скорость железа, вращающегося в непосредственной близости от RX J1131 – 1231. Отличительный спектр железа был модифицирован быстрым движением атомов, что позволило более точно отобразить происходящее.

Рядом с квазаром вещи вращаются не так, как в Солнечной системе. Вместо того, чтобы вращать объекты, вращение и гравитация черной дыры объединяются и вращают саму ткань пространства. Достаточно близко к черной дыре это явление, которое называется увлечением инерциальных систем отсчета (в англ. frame dragging), разгоняет атомы железа почти до скорости света. Определите скорость движения атомов — и у вас будет скорость вращения черной дыры.

Это отражение производит относительно небольшое количество света, поэтому с его помощью нельзя измерить все квазары. Тем не менее исследователи объединили данные почти 140 часов наблюдений с использованием обсерваторий «Чандра» и XMM-Newton. Объем данных позволил отделить данные отражения от света других квазаров.

Ученые обнаружили, что черная дыра крутится по меньшей мере на скорости в 66 % от максимального значения, допустимого общей теорией относительности, и по большей мере на 87 % от максимума. Это означает, что 6,1 миллиарда лет назад черная дыра вращалась быстрее, чем в принципе возможно, поскольку должна была объединиться с другой черной дырой ранее во времени.

Поскольку такое наблюдение требует увеличение квазара гравитационной линзы, его невозможно повторить для каждой из черных дыр. Тем не менее существуют и другие линзируемые квазары, благодаря которым можно будет определить, является ли RX J1131 – 1231 типичным. Если допустить, что одна сверхмассивная черная дыра выросла за счет слияний, можно предположить, что другие сделали то же самое.