Приближаясь к горизонту событий

Две новые исследовательские работы позволяют нам приблизиться к пространству, находящемуся рядом с горизонтом событий, и сформировать изображения событий в районе, где находятся самые близкие к черной дыре устойчивые орбиты. Авторы обоих исследований рассматривают периодические выбросы, которые происходят, когда черная материя начинает поглощать новое вещество. 

ами черные дыры поглощают весь свет, находящийся за пределами их горизонта событий, а пространство вне такого горизонта событий обычно излучает такой свет в больших количествах. Это вызвано тем, что материя, попадающая в черную дыру, имеет огромный энергетический заряд. Она теряет вращательный момент и врезается в другую материю на орбите вокруг черной дыры. Таким образом, хотя мы не можем получить изображение черной дыры непосредственно, у нас есть возможность сделать некоторые выводы о ее свойствах, воспользовавшись светом из той среды, которую она создает.

На этой неделе были опубликованы две исследовательские работы, позволяющие нам приблизиться к пространству, находящемуся рядом с горизонтом событий, и сформировать изображения событий в районе, где находятся самые близкие к черной дыре устойчивые орбиты. Авторы одной из этих работ пришли к следующему выводу: сверхмассивная черная дыра вращается настолько быстро, что точка на ее поверхности движется со скоростью, равной примерно половине скорости света.

Авторы обоих исследований рассматривают периодические выбросы, которые происходят, когда черная материя начинает поглощать новое вещество. Это вещество направляется в дыру через плоскую структуру с центром в черной дыре. Данная структура носит название аккреционный диск. С появлением новой материи диск нагревается, делая черную дыру ярче. Из-за этого происходят изменения в окружающем пространстве. Авторы обоих исследований ищут ответ на вопрос о том, что эти изменения могут рассказать нам о черной дыре и о находящемся поблизости от нее пространстве.

В одной из этих работ внимание ученых сосредоточено на черной дыре, имеющей звездную массу, которая в 10 раз больше массы Солнца. В ответ на попадание вовнутрь материи одна из таких звезд создала переходное событие под названием MAXI J1820+070. Свое название оно получило от находящегося на МКС прибора MAXI, который предназначен для ведения астрономических наблюдений в рентгеновском диапазоне. Вслед за открытием этого события удалось провести новые наблюдения при помощи аппаратуры МКС под названием NICER, которая исследует внутренний состав нейтронных звезд. Эта аппаратура может проводить очень быстрые измерения рентгеновских лучей, излучаемых астрономическими источниками, что позволяет эффективно следить за кратковременными изменениями в объекте.

В данном случае прибор NICER был использован для анализа «светового эха». Дело в том, что кроме аккреционного диска у черных дыр имеется корона, представляющая собой пузырь энергетически заряженного вещества, расположенного выше и ниже плоскости диска. Эта корона сама излучает рентгеновские лучи, которые можно обнаружить с помощью приборов. Но эти рентгеновские лучи тоже попадают в аккреционный диск, и часть из них отражается в нашу сторону. Такое световое эхо может поведать нам некоторые подробности об аккреционном диске.

В данном случае световое эхо помогло разгадать загадку. Изображения, полученные из сверхплотных черных дыр в центре галактик, свидетельствуют о том, что аккреционный диск вытянулся вдоль ближайшей к черной дыре устойчивой орбиты. Однако измерения черных дыр со звездной массой указывают на то, что края аккреционного диска находятся намного дальше. Поскольку физические свойства вряд ли могут меняться вместе с изменением размеров, данные измерения несколько озадачили ученых.

Новый анализ показывает, что в рентгеновских излучениях MAXI J1820+070 есть как переменные, так и постоянные свойства. Постоянные свойства говорят о том, что создающий эхо аккреционный диск вообще не меняет свое местоположение. А переменные свойства указывают на то, что когда черная дыра пожирает материю, ее корона становится более компактной, в связи с чем источник рентгеновского излучения смещается. Детали постоянного сигнала свидетельствуют о том, что аккреционный диск находится намного ближе к черной дыре. Благодаря этому новые измерения входят в полное соответствие с тем, что нам известно о сверхплотных версиях черных дыр.

На сверхплотной территории находится объект ASASSN-14li, обнаруженный во время автоматического исследования сверхновых. У этого объекта были такие свойства, которые обычно присущи событию под названием «приливное разрушение». Во время такого события черная дыра силой своего притяжения разрывает на части звезду, оказавшуюся слишком близко от нее. Однако последующие наблюдения показали, что у этого сигнала довольно странная структура. Каждые 130 секунду он на короткое время давал всплеск.

Этот сигнал не очень сильно отличался от фона, на котором происходило разрушение звезды, но его обнаружили три разных прибора, а это свидетельствует о том, что нечто происходит периодически. Самое простое объяснение заключается в том, что часть звезды попала на орбиту вокруг черной дыры. Частота таких орбит зависит от массы и скорости вращения черной дыры, а также от расстояния между черной дырой и объектом, обращающимся по орбите вокруг нее. Другими способами вращение черной дыры измерить сложно, и поэтому ученые многократно воспроизводят имитационное моделирование, проверяя различные конфигурации системы черной дыры.

Массу черной дыры определяют, исходя из размера галактики, в которой она находится. Между скоростью вращения и орбитальной дистанцией существует простая взаимосвязь: чем ближе такое нечто к черной дыре, тем медленнее черная дыра вращается, чтобы объект двигался по орбите с той же скоростью. Таким образом, рассчитав ближайшую из возможных орбит, ученые сумели определить минимальное значение скорости вращения.

Проведенные расчеты указывают на то, что черная дыра вращается как минимум с такой скоростью, при которой точка на ее поверхности движется со скоростью в два раза меньше скорости света. (Чтобы вы получили более полное представление, следует сказать, что сверхплотные черные дыры могут быть настолько крупными, что радиус у них такой же, как радиус орбиты Сатурна или Нептуна.) Если материя обращается по орбите чуть дальше от центра, то и черная дыра тоже ускоряет свое вращение.

Мы пока не можем получать изображения черных дыр напрямую, однако проведенные исследования показывают, что в них происходят многочисленные события, могущие дать нам немало данных о их поведении во Вселенной. А это позволяет нам сделать определенные умозаключения о свойствах самих черных дыр, а также о материи, ожидающей своего часа, чтобы попасть в них. Мы также начинаем получать информацию из наблюдений за гравитационными волнами, которая дает нам представление о массе и вращении сталкивающихся черных дыр. В совокупности эти данные снимают с черных дыр ореол неизвестности, и они уже не являются для нас неизведанной территорией.