С помощью рентгеновских обсерваторий можно измерить спин отдаленных чёрных дыр

Астрономы использовали рентгеновские обсерватории Chandra НАСА и XMM-Newton Европейского космического агентства, чтобы изучить сверхмассивную быстро вращающуюся чёрную дыру, удалённую на 6 млрд. световых лет от Земли. Это первое прямое измерение спина столь отдалённой чёрной дыры, и оно является важным шагом в понимании процесса роста данных объектов во времени.

Для определения чёрных дыр существуют всего две простые характеристики: их масса и спин. Астрономы уже давно могут довольно эффективно определять массу чёрных дыр, однако измерить их спин гораздо сложнее.

За последние 10 лет астрономы разработали способы оценки спина чёрных дыр, находящихся на расстоянии свыше нескольких миллиардов световых лет от нас, наблюдая при этом то, что представляла собой окружающая их область миллиарды лет назад. Но определение спинов этих далёких чёрных дыр состоит из нескольких этапов, которые взаимосвязаны друг с другом.

"Мы хотим выявить усреднённое значение для определения спинов чёрных дыр во всей Вселенной", – сказал Рубенс Рейс из Мичиганского университета в Анн-Арборе, главный автор статьи по данной теме, опубликованной на сайте журнала Nature.

Рейсу и его коллегам удалось измерить спин сверхмассивной далёкой чёрной дыры, которая засасывает окружающий газ, создавая исключительно яркий квазар RX J1131-1231 (или кратко RX J1131). По случайному совпадению, искажение пространства-времени мощным гравитационным полем огромной эллиптической галактики вдоль линии прямой видимости квазара действует как гравитационная линза, усиливающая свет от квазара. Гравитационное линзирование, впервые предсказанное Эйнштейном, представляет редкую возможность изучить сокровенную область далёких квазаров, действуя, как природный телескоп и увеличивая свет от этих источников.

"Благодаря этой гравитационной линзе мы смогли получить очень подробную информацию о RX J1131 в рентгеновском диапазоне, то есть зафиксировать количество рентгеновских лучей различной интенсивности, – сказал соавтор работы Марк Рейнольдс. – Это, в свою очередь, позволило нам вычислить очень точное значение скорости вращения данной чёрной дыры".

Рентгеновское излучение возникает, когда газопылевой аккреционный диск, окружающий чёрную дыру, образует вблизи неё корону – облако, раскалённое до многих миллионов градусов. Испускаемые короной рентгеновские лучи отражаются от внутренней границы диска. Мощная гравитация вблизи чёрной дыры искажает отражённый рентгеновский спектр. Чем сильнее изменяется спектр, тем ближе к чёрной дыре находится внутренний радиус аккреционного диска.

"По нашим оценкам, рентгеновские лучи испускаются областью диска, расположенной всего в три раза дальше от чёрной дыры, чем радиус горизонта событий или точка невозврата для падающего вещества, – сказал Джон М. Миллер, другой автор статьи. – Черная дыра должна очень быстро вращаться, чтобы её окружал аккреционный диск такого небольшого радиуса".

Вращающаяся черная дыра затягивает окружающее пространство, и движущаяся по кругу материя расположена ближе к ней, чем это возможно для неподвижной чёрной дыры.

Измеряя спин отдалённых чёрных дыр, исследователи находят всё больше подсказок, каким образом эти объекты набирают массу с течением времени. Если чёрные дыры увеличиваются в основном благодаря слияниям и столкновениям галактик, они должны накапливать вещество в устойчивом диске, и постоянный приток новой материи от диска приводит к их быстрому вращению. Напротив, если чёрные дыры подпитываются за счёт многочисленных мелких эпизодов аккреции, они будут аккумулировать вещество в случайных направлениях. Подобно раскачивающемуся в разные стороны волчку, это замедлило бы вращение чёрной дыры.

Открытие, что угловая скорость чёрной дыры в квазаре RX J1131 превышает одну вторую скорости света, предполагает её рост посредством слияний, а не притягивания материи с различных направлений. Эта чёрная дыра наблюдается на расстоянии 6 млрд. световых лет от Земли, то есть она возникла примерно через 7,7 млрд. лет после Большого взрыва.

Возможность измерения спина чёрной дыры в огромном масштабе космического времени заключается в непосредственном изучении вопроса, протекает ли эволюция чёрной дыры примерно в том же темпе, что и эволюция её родительской галактики. Измерение спина чёрной дыры в RX J1131-1231 является важным шагом на этом пути, а также демонстрирует метод обнаружения отдалённых сверхмассивных чёрных дыр при помощи современных рентгеновских обсерваторий.

До опубликования этой работы самые отдалённые чёрные дыры с определёнными спинами были расположены в 2,5 и 4,7 млрд. световых лет от Земли.