Время познавательного

- Здесь есть доктор?
- Да
- Какая у тебя специальность?
- Я доктор математических наук.
- Мой друг умирает.
- Минус один.

Сверхмассивная черная дыра в центре Галактики вращается так быстро, что искривленная ткань пространства-времени, которая окружает этого монстра, принимает форму, напоминающую мяч для регби. Это выяснили американские ученые после анализа данных космической рентгеновской обсерватории «Чандра» и группы наземных радиотелескопов «Очень большая антенная решетка».

Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, масса искривляет пространство-время — гибкую четырехмерную «ткань», на которой происходят все события Вселенной. Ученый утверждал, что чем массивнее объект, тем больше он «прогибает» пространство и, соответственно, тем сильнее будет искажение ткани, которое «ощущается» как гравитация.

Искривляют ткань пространства-времени очень массивные объекты, например галактики или черные дыры. Когда это происходит, астрофизики наблюдают необычные свойства. 

В таком случае галактики могут действовать как гравитационные линзы, которые своим гравитационным полем изменяют свет объекта, находящегося позади них. То есть луч света, проходя по этой искривленной части пространства, начнет изгибаться. Это помогает ученым «видеть» в космосе дальше, чем они могли бы. 

Столкновения черных дыр и нейтронных звезд порождают сильные гравитационные волны — «пульсации» в ткани пространства-времени. Эта рябь достигает Земли, ее можно обнаружить с помощью специальных установок — лазерного интерферометра LIGO — и таким образом узнать больше о катастрофических событиях, которые произошли в триллионах и даже квадриллионах километров от нашей планеты. 

В 2020 году ученые обнаружили, что плотные звездные системы могут «тянуть» и «закручивать» ткань пространства-времени. Теперь астрофизики выяснили, что сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути тоже творит странные вещи с пространством-временем.

Астрономы называют эту гигантскую черную дыру Стрелец А* (сокращенно Sgr A*), она находится примерно в 26 тысячах световых лет от Земли, а ее масса составляет от двух до пяти миллионов солнечных масс.

Черные дыры обладают двумя фундаментальными свойствами: массой и вращением (впрочем, последнее иногда теоретически может быть и нулевым). Определение любого из этих двух свойств может многое рассказать исследователям о поведении такого объекта. 

Если о массе Стрелец А* более-менее известно, то о ее вращении данных мало. Астрофизики давно пытаются вычислить скорость вращения этой черной дыры. В предыдущих работах ученые утверждали, что Стрелец А* либо вообще не вращается, либо вращается с максимально возможной скоростью.

Группа американских ученых из Университета штата Пенсильвания и Университета штата Мичиган применила новый метод, позволяющий более точно определить, насколько быстро вращается Стрелец А*. Этот метод основан на исследовании того, как материя течет к черной дыре и от нее. Он включает в себя комбинацию данных, полученных от космической рентгеновской обсерватории «Чандра» и группы наземных радиотелескопов «Очень большая антенная решетка», расположенных в штате Нью-Мексико (США). 

Выяснилось, что черная дыра в центре Галактики имеет угловую скорость примерно 60 процентов от скорости света. Иными словами, внешние области этой черной дыры движутся относительно ее центра со скоростями, равными 60 процентов от световой.

По мере своего вращения черная дыра притягивает материю и изгибает ткань пространства-времени. Если смотреть на нее сверху вниз, вдоль струй (джетов), которые она выбрасывает, искажение ею пространства-времени выглядит округлым по форме. Однако американские астрофизики узнали, что если посмотреть на вращающуюся черную дыру сбоку, пространство-время, окружающее эту черную дыру, принимает форму, напоминающую мяч для регби. Чем быстрее вращение, тем более плоским будет становиться этот «мяч».

Сверхмассивные черные дыры могут выбрасывать струи вещества. Чтобы они появились, нужно много материи поблизости. Из-за небольшого количества «топлива» вокруг Стрельца А* в последние тысячелетия эта черная дыра была относительно спокойной, а ее джеты — слабыми. Но авторы исследования предупредили, что ситуация может измениться, если количество материала в окрестностях черной дыры увеличится.

«Что тогда произойдет? Мощные джеты способны повлиять на снабжение газом всей галактики и на то, насколько быстро смогут образовываться звезды», — объяснил Меган Донахью (Megan Donahue), один из авторов исследования.  

В расчетах и данных наблюдений за черными дырами есть заметный разрыв: обнаруженные астрономами черные дыры значительно массивнее теоретической нижней границы масс подобных тел. И вот ученые нашли систему из пульсара и объекта-компаньона, который как раз попадает в этот «провал масс».

Астрономы ищут системы из массивных объектов — нейтронных звезд, белых карликов и черных дыр, — чтобы протестировать теории гравитации. Лучшее место для поиска таких объектов — шаровые звездные скопления.

Плотность звезд в центре подобных скоплений достаточно высокая, поэтому тела там чаще встречаются и взаимодействуют. В частности, нейтронные звезды подхватывают маломассивные звезды главной последовательности и «высасывают» их материю, накапливая массу. Так появляются маломассивные рентгеновские двойные звезды, одним из объектов которых становится миллисекундный пульсар, быстровращающаяся нейтронная звезда. Именно на таких системах ученые тестируют теории гравитации.

Во время поиска подобных объектов в шаровых звездных скоплениях с помощью радиотелескопа MeerKAT (Южная Африка) астрономы обнаружили в NGC 1851 в созвездии Голубь 13 миллисекундных пульсаров, в том числе в составе трех массивных двойных звезд. Компаньон одной из них — PSR J0514-4002E — заинтересовал ученых своей массой. 

Если бы компаньон был звездой главной последовательности, его было бы видно в оптическом диапазоне. Но в наблюдениях «Хаббла» подходящий объект найти не удалось. Получается, он должен быть очень компактным. Проанализировав «тиканье» пульсара и рассчитав его движение, авторы исследования пришли к выводу, что масса компаньона — от 2,09 до 2,71 солнечной массы.

Это больше, чем у крупнейших пульсаров, чью массу удалось точно измерить: PSR J0740+6620 (2,08 солнечной массы) и PSR J0348+0432 (2,01 солнечной массы). И меньше самых маленьких черных дыр (около пяти солнечных масс), обнаруженных в составе двойных систем. То есть этот объект находится в «провале масс» черных дыр — разрыве между данными наблюдений и теоретической минимальной массой черной дыры (2,2 солнечной массы), образовавшейся при коллапсе нейтронной звезды.

По словам ученых, судя по положению в плотном шаровом скоплении, эксцентричности орбиты, быстрому вращению пульсара и большой массе компаньона, система PSR J0514-4002E — продукт «вторичной встречи». Авторы статьи предположили, что пульсар раскрутился, поглотив материю своего первого «соседа», а уже потом встретился с нынешним массивным компаньоном.

Новый компаньон, судя по массе, мог образоваться в слиянии двойной нейтронной звезды или нейтронной звезды и черной дыры. Через анализ гравитационных волн астрономам известно несколько таких событий, и масса компаньона совпадает с оценкой масс участников тех слияний (GW190814, GW191917 и GW200210).

К сожалению, по косвенным данным вроде вращения пульсара и траектории его орбиты (тут не хватает точности измерений) невозможно точно определить, является ли компаньон самой массивной нейтронной звездой из известных или самой маленькой черной дырой из «провала масс».

Если удастся подтвердить, что этот объект состоит из радиопульсара и черной дыры, PSR J0514-4002E станет первой подобной системой за всю историю наблюдений. И это будет праздник для астрофизиков, потому что такая пара позволит по-новому протестировать Общую теорию относительности.

Источник

Та самая черная дыра, силуэт которой впервые увидел мир, расположена в центре крупной галактики М87 и привлекала к себе пристальное внимание задолго до получения знаменитого изображения: она постоянно бьет в нашу сторону гигантским потоком плазмы, а иногда с ней происходят труднопредсказуемые и не совсем понятные события. Одно из них впервые за много лет удалось зафиксировать во время очередных наблюдений.

Галактика Мессье 87 (М87) в диаметре ненамного больше Млечного Пути, но по массе превосходит его, возможно, раз в двести. В отличие от нашей спиральной галактики, эта — эллиптическая: огромная сфера, полная звезд. Расположена она в 53,5 миллионах световых лет от нас в направлении созвездии Девы и особенно интересна своим крайне активным ядром, то есть сверхмассивной черной дырой, которая интенсивно вбирает в себя окружающее вещество.

Именно эту черную дыру астрономы выбрали как ту, которую первой должно было увидеть и увидело человечество. Изображение ее силуэта составили по данным комплекса телескопов Event Horizon («Горизонт событий») и обнародовали в 2019 году. Черная дыра на нем угадывается только благодаря яркому обрамлению притянутого к ней вещества — аккреционному диску. Он оказался неоднородным, есть более яркие, явно более плотные области. И все это вращается вокруг горизонта событий на огромных скоростях.

По недавним оценкам, масса этой черной дыры составляет 6,5 миллиарда масс Солнца. При этом в размерах она вполне уместилась бы в пределы орбиты Плутона, то есть она меньше Солнечной системы. Напомним, черная дыра в центре Млечного Пути «весит» как четыре миллиона Солнц, а ее диаметр примерно такой, как у орбиты Меркурия.

Черная дыра М87 обрушивает на себя такое количество вещества, что просто не в состоянии справиться с ним, и его излишки вырываются от нее прочь из окрестностей обоих полюсов гигантскими плазменными фонтанами под названием «релятивистские струи». Одна из них направлена почти прямо в сторону Земли — под углом всего примерно 20 градусов. Этот поток тянется на без малого пять тысяч световых лет. Тот, что с противоположной стороны, должен быть таким же.

Недавно международная и очень многочисленная команда астрофизиков поделилась в журнале Astronomy and Astrophysics результатами своих последних наблюдений за ядром М87 в 2018 году и сравнила их с тем, как выглядела эта сверхмассивная черная дыра во время предыдущей сессии — в 2017-м. Выяснилось, во-первых, что за год уплотнения в аккреционном диске (а значит, и весь диск) успели сместиться на 30 градусов. Во-вторых, релятивистская струя понемногу, «монотонно» сдвигается, и это замечают не в первый раз.

В-третьих, впервые с 2010 года в окрестностях центра М87, наконец, снова произошла внезапная мощная вспышка гамма-излучения, которую ранее наблюдали несколько раз, но толком объяснить пока не смогли. На этот раз она оказалась гораздо слабее предыдущих, тем не мене излучение было примерно в четыре раза интенсивнее, чем в «спокойное» время.

Продолжался всплеск примерно три дня. Астрофизики отметили, что он почему-то наблюдался исключительно в гамма-диапазоне. Точное место, откуда шло излучение, определить не удалось. Впрочем, ученые отметили, что область вспышки невелика — всего раз в 10 больше размеров самой черной дыры.

О природе этой гамма-вспышки пока только строят предположения. Есть подозрение, что она связана с магнитным полем черной дыры. Например, по одной из версий, в нем спорадически сталкиваются сильно и слабо намагниченные потоки, отчего возникает ударная волна.

Чтобы получить первое изображение черной дыры, исследователям пришлось объединить данные, полученные от обсерваторий по всему миру. Когда в 2019 году нечеткое, светящееся изображение было наконец обнародовано, все крупные газеты опубликовали его.

Теперь этот сверхмассивный монстр, расположенный в центре галактики Messier 87, раскрыл еще больше своих секретов. Анализ 22-летних наблюдений за ядром галактики М87 подтвердил, что ее черная дыра вращается.

“После успешной визуализации черной дыры в этой галактике с помощью телескопа Event Horizon Telescope вопрос о том, вращается эта черная дыра или нет, стал одним из главных для ученых, – говорит астрофизик и соавтор исследования Казухиро Хада (Kazuhiro Hada) из Национальной астрономической обсерватории Японии. “Теперь ожидание переросло в уверенность. Эта чудовищная черная дыра действительно вращается”.

Используя глобальную сеть из более чем 20 телескопов, исследователи проанализировали 170 наблюдений M87, сделанных в период с 2000 по 2022 год.Они не смогли наблюдать ничего внутри горизонта событий, поскольку гравитационное притяжение черных дыр настолько сильно, что даже свет оказывается в их плену. Однако они смогли проследить за великолепной струей черной дыры, которая простирается на 4 900 световых лет и, кажется, движется почти в пять раз быстрее скорости света благодаря оптической иллюзии, известной как сверхсветовое движение.

Иллюзия сверхсветового движения возникает из-за того, что световые лучи, излучаемые из точки, расположенной на краю вращающегося объекта, могут быть искривлены гравитационным полем этого объекта. В результате эти лучи могут достигать наблюдателя с разных направлений, что создает впечатление, что объект движется быстрее скорости света. В случае с черной дырой, струи, которые она испускает, состоят из ионизированного газа и плазмы. Эти струи движутся со скоростью, близкой к скорости света. Однако из-за вращения черной дыры струи могут искривляться, что создает впечатление, что они движутся быстрее скорости света.

Впервые эта струя была замечена в 1918 г. астрономом Хебером Кертисом, а знаменитый снимок был сделан космическим телескопом Хаббл.

Ученые не вполне уверены в том, как создаются эти мощные струи, но предполагается, что излучение и частицы попадают в воронку вдоль линий магнитного поля черной дыры.

Исследователи обнаружили, что черная дыра в центре M87 медленно изменяет угол наклона своей струи примерно на 10 градусов, а затем возвращается в исходное положение. Этот цикл занимает около 11 лет. На основании такого изменения угла наклона струи исследователи смогли сделать вывод о наличии вращающейся черной дыры.

Вращающиеся черные дыры искривляют пространство-время вокруг себя в процессе, называемом “перетягиванием рамки”, что приводит к опрокидыванию аккреционного диска и струи вбок.

“Поскольку рассогласование между черной дырой и диском относительно невелико, а период прецессии составляет около 11 лет, накопление данных высокого разрешения, отслеживающих структуру M87 в течение двух десятилетий, и их тщательный анализ необходимы для получения этого достижения”, – говорит астрофизик и соавтор исследования Цуй Ючжу.

M87 представляет особый интерес, поскольку удалена от нас всего на 54 млн. световых лет, что гораздо ближе, чем другие галактики.

Кроме того, она уже несколько веков привлекает внимание любителей наблюдений за звездами. Впервые M87 была замечена в 1781 году астрономом Шарлем Мессье, когда он направил свой телескоп на галактику в созвездии Девы. Мессье 87, или M87, теперь носит его имя.

Считается, что большинство черных дыр вращается почти со скоростью света, и некоторые черные дыры уже продемонстрировали это. В 2013 г. было показано, что черная дыра, расположенная в центре галактики NGC 1365 на расстоянии около 60 млн световых лет, вращается со скоростью 84% от скорости света.

Используя схемы импульсов рентгеновского излучения, ученые пришли к выводу, что в 2019 году еще одна черная дыра вращалась со скоростью 50% от скорости света.

Почему черные дыры вращаются так быстро? Когда материя коллапсирует в сингулярность или черную дыру, она становится чрезвычайно плотной и имеет очень малый объем.

Но она сохраняет свой угловой момент. Если бы вещество происходило от вращающейся звезды, то скорость его вращения увеличилась бы при сжатии, подобно тому как фигурист вращается быстрее, когда прижимает руки к корпусу.

Cui, Y., Hada, K., Kawashima, T. et al. Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87. Nature 621, 711–715 (2023).

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06479-6

Это та самая галактика, в центре которой находится сверхмассивная чёрная дыра, чью тень мы увидели в 2019 году. На этом изображении видна почти вся галактика целиком, в виде туманного жёлтого пятна, а также достаточно хорошо виден джет, создаваемый чёрной дырой в центре галактики. Длина этого джета из плазмы — 3000 световых лет.

Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М 87. Это самое первое в истории человечества качественное изображение тени чёрной дыры, полученное напрямую в радиодиапазоне.

Астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов провели успешные наблюдения с помощью виртуального телескопа размером с планету, достигнув рекордного разрешения с поверхности Земли. Результаты их работы опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

В рамках проекта Event Horizon Telescope (EHT) – ученые зафиксировали свет, исходящий из центров галактик на частоте около 345 ГГц, а в сочетании с полученными ранее изображениями сверхмассивных черных дыр на частоте 230 ГГц – это позволило получать не только многоцветные изображения областей вокруг черных дыр и повысить их четкость на 50%, но и точнее измерять размер и форму объектов.

Для получения высококачественных изображений использовалась интерферометрия со сверхдлинной базой (VLBI), позволяющая связать несколько радиотелескопов по всему миру и создать гигантский виртуальный телескоп размером с нашу планету. Новое исследование открывает перспективы для получения информации о взаимодействии гравитационных и магнитных полей, окружающих черные дыры.

Фото: D. Pesce, A. Chael /EHT

Сверхтекучий гелий (He II), задействованный в новом эксперименте, часто используют для быстрого охлаждения объектов. Однако авторы исследования нашли новое применение He II — симулирование искривленного пространства-времени под влиянием черной дыры.

Черные дыры — область пространства-времени, в которой гравитация достигает такой силы, что ничто, даже кванты света, не может ее покинуть. Такие области образуются за счет сильного сжатия звезды в стадии ее умирания. В центре Млечного Пути находится черная дыра под названием Стрелец А*, масса которого в четыре миллиона раз больше Солнца.

Поскольку подобные сверхмассивные объекты не излучают свет, астрофизики изучают черные дыры по их взаимодействию с другими космическими объектами. Так, в 2019 году Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий») удалось сфотографировать силуэт черной дыры M87, то есть раскаленный диск из газа и пыли, который притянула М87. Недавно астрофизики опубликовали исследование в журнале Nature, где описали искривление пространства-времени, созданное гипотетической черной дырой.

Астрофизики создали симуляцию искривления пространства-времени, использовав установку, которая вращала сверхтекучий гелий (He II), для изучения поведения и взаимодействия черных дыр со средой. Сверхтекучесть гелия проявляется при температуре ниже 271 градуса Цельсия. Кинематическая вязкость гелия при такой температуре снижается в 100 раз по сравнению с водой, что дало возможность авторам исследования провести аналогию между гравитацией (взаимодействие без «трения») и He II.

Ученые задействовали экспериментальную установку, пропеллер внутри которой вращал охлажденный He II в экспериментальной зоне. В процессе вращения в сверхтекучем гелии образовывались квантовые вихри (замкнутые контуры потока), имитировавшие гравитационные условия вблизи черной дыры. При увеличении скорости вращения пропеллера образовывалось расширяющееся полое вихревое ядро. Астрофизики исследовали процесс испарения построенного ими экспериментального аналога черной дыры, удерживая вихревое ядро вне экспериментальной зоны и наблюдая при этом за вихревыми потоками.

Также авторы работы заметили, что квантовые вихри создавали в сверхтекучем гелии определенное поле скоростей, — это повлияло на распространение малых волн на поверхности He II. Только некоторые высокочастотные (эквивалентные высокой энергии) волны обладали возможностью распространения по поверхности гелия.

«Ключевые процессы во вращающемся искривленном пространстве-времени, такие как сверхизлучение (явление усиления отраженной от вращающейся черной дыры волны) и „звон“ черных дыр, можно исследовать в нынешней системе с небольшими корректировками скорости пропеллера, геометрии контейнера или путем динамически изменяемых параметров потока», — добавили исследователи.

Новая симуляция предоставит возможность изучать искривления пространства-времени, создаваемое черными дырами, в земных условиях, не привлекая телескопы и другую технику, которые, по описанным выше причинам, часто мало что могут в отношении такого рода объектов.

Родительская галактика, содержащая источник джетов, примерно в 10 раз массивнее Млечного Пути и удалена от нас на 7,5 миллиарда световых лет.

Используя данные наблюдений массива радиотелескопов LOFAR, астрономы выявили два гигантских джета, вырывающихся из черной дыры. Их протяженность оценивается в 26 миллионов световых лет, что равно 140 галактикам размером с Млечный Путь, выстроенным в одну линию. Об открытии сообщается в журнале Nature.

«Млечный путь был бы маленькой точкой на фоне этих двух гигантских потоков, вырывающихся из разных полюсов сверхмассивной черной дыры», – рассказывают авторы открытия.

Мегаструктура, получившая название Порфирион в честь гиганта из греческой мифологии, наблюдается в эпоху, когда Вселенной было 6,3 миллиарда лет, или менее половины ее текущего возраста.

«Эти мощные потоки, суммарная мощность которых эквивалентна триллионам Солнц, оказывали большее влияние на формирование галактик в молодой Вселенной, чем считалось ранее. Порфирион существовал в эпоху, когда тонкие нити, соединяющие и питающие галактики были расположены ближе друг к другу, чем сейчас. Это означает, что огромные струи, подобные Порфириону, охватывали большую часть космической сети и могли затрагивать каждый уголок Вселенной», – отметили авторы открытия.

Существование Порфириона, по мнению астрономов, является доказательством того, что струи, вырывающиеся из сверхмассивных черных дыр, могут избежать разрушения на огромных космологических расстояниях. Однако понимание механики, которая поддерживает стабильность Порфириона, неясна и требует дополнительных исследований.

Недавнее исследование астрономов из Калифорнийского университета в Беркли показало, что самые массивные черные дыры в известной Вселенной остановили свой рост. Наблюдения за 32 квазарами с черными дырами массой более 10 миллиардов солнечных масс показали, что все они достигли этого предела примерно 1,5 миллиарда лет назад.

Ученые предполагают, что существует фундаментальный предел роста черных дыр, связанный с эффективностью аккреции материи или с истощением доступного для поглощения вещества в их галактиках. Это открытие помогает объяснить, почему мы не наблюдаем черные дыры с массами в 100 миллиардов солнечных масс.

Цветное - это не черная дыра, цветом искусственно раскрашен аккреционный диск, окружающий ее. Черная дыра находится в темной области посередине. Линии здесь являются изолиниями, что означает, что каждый пиксель в линии имеет одинаковое значение, в данном случае значение температуры. Это означает, что вдоль линий температура материала, вращающегося вокруг черной дыры, примерно одинакова.

На расстоянии 53,5 миллиона световых лет от Земли расположена сверхгигантская эллиптическая галактика M 87 (Messier 87). При диаметре в 132 000 световых лет M 87 является домом для более чем триллиона звезд! Для сравнения, диаметр Млечного Пути около 100 000 световых лет, а количество звезд, проживающих в нашей Галактике, составляет от 200 до 400 миллиардов.

Космическая рентгеновская обсерватория NASA "Чандра", наблюдая за этим космическим гигантом в июле 2000 года, показала нам нечто поистине впечатляющее.

В центре изображения виден яркий "столб" — это гигантская струя (джет) раскаленного газа с температурой в миллионы градусов Цельсия. Ее длина поражает воображение — более 50 000 световых лет.

Источником этого космического фейерверка служит сверхмассивная черная дыра в центре M 87. Она выделяется среди своих "сородичей" необычайной активностью, вызванной обилием окружающей материи. Именно эта особенность сделала ее идеальной целью для исторического события — получения первого в истории человечества изображения тени черной дыры в 2019 году.

Этот революционный снимок был сделан с помощью уникального инструмента — телескопа Event Horizon Telescope (EHT). По сути, это целая сеть радиотелескопов по всей планете, работающих как единый инструмент размером с Землю. Результат их работы — оранжево-желтое кольцо света вокруг темного центра — подтвердил существование черных дыр, превратив их из теоретических объектов Эйнштейна в доказанную реальность. Темный силуэт в центре — тень черной дыры, окруженная ярким кольцом света от раскаленной материи, вращающейся вокруг нее на околосветовых скоростях.

Интересно, что такое буйное поведение характерно и для некоторых других сверхмассивных черных дыр в крупных галактиках, например, в Персее A.

Эти гравитационные монстры своими вспышками не только демонстрируют собственный рост, но и рассказывают об эволюции своих галактик (ранее было установлено, что сверхмассивные черные дыры формируют химический состав своих галактик).

Жителям Земли невероятно повезло — сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, скрывающаяся в центре Млечного Пути, отличается спокойным характером. Возможно, именно это спокойствие позволило развиться жизни в нашей Галактике.

Читайте также:

• «Джеймс Уэбб» раскрывает тайны Вселенной: обнаружена древнейшая черная дыра.

• Может ли в Солнечной системе быть черная дыра?

• Двойная черная дыра 3C 75.

«Икание» в центре далекой галактики, замеченное в 2020 году, объяснили кружением маленькой черной дыры, пробивающей дыры в аккреционном диске. Впервые ученые нашли систему из сверхмассивной и обычной черных дыр.

Первые подтвержденные гравитационные волны, пойманные обсерваторией LIGO в 2015 году, прилетели от слияния двух черных дыр, как полагают ученые. За прошедшие годы астрономы зарегистрировали гравитационные волны от десятков таких событий. Причем это почти всегда «темные» события, когда черные дыры умеренных масс сливаются без существенного свечения.

Чтобы хорошо наблюдать слияния, нужны иные события — например, с участием крупных черных дыр с хорошо различимым в телескопы аккреционным диском. И вообще, хорошо бы начинать наблюдения за такими событиями заранее, поэтому астрономы ищут подходящие пары космических тел. Одна из самых перспективных комбинаций — компактный объект рядом со сверхмассивной черной дырой. Именно такой объект случайно нашли исследователи.

В 2020 году автоматизированная сеть телескопов ASAS-SN, ежедневно сканирующая небо на предмет сверхновых и других кратковременных событий, поймала вспышку. Галактика в 800 миллионах световых лет от нас стала в тысячу раз ярче. Заметив оповещение о событии, Дхирадж Пашам (Dheeraj Pasham), астрофизик из Массачусетского технологического института (США), направил на галактику рентгеновский телескоп NASA NICER, установленный на МКС. На протяжении примерно четырех месяцев телескоп регулярно делал снимки объекта. Также в сборе данных участвовали другие обсерватории.

Проанализировав собранные данные и проведя статистический анализ, группа ученых под руководством Пашама пришла к выводу, что из аккреционного диска сверхмассивной черной дыры с периодичностью в 8,5 дня вылетает материя, заглушая ненадолго излучение. Чем-то это было похоже на перепады излучения звезды, рядом с которой летает планета.

Почему же астрономы раньше не замечали этого «икания»? Потому что аккреционный диск был довольно тусклым. Видимо, какая-то звезда слишком близко подлетела к сверхмассивной черной дыре, и ее разорвало на части. Это событие приливного разрушения спровоцировало всплеск яркости диска, что и засекли телескопы. Изучая всплеск, ученые заметили периодичность.

Авторы исследования рассмотрели разные гипотезы возникновения «мигания», используя в том числе двумерное компьютерное моделирование: особенности аккреционного диска, разрушение звезды по частям, поток обломков от разрушенной звезды и другие. Так исследователи пришли к выводу, что виноват компактный объект, под большим наклоном вращающийся вокруг сверхмассивной черной дыры. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Это должен быть объект массой от 100 до 10 тысяч солнечных масс, то есть черная дыра средней массы. Хотя такую пару обнаружили впервые, по оценке авторов новой работы, в пределах 800 миллионов световых лет от нас, среди 2,5 миллиона галактик, в год может происходить до пяти (от 0,07 до 5,3, если точнее) событий приливного разрушения как раз в таких галактиках — с парой из сверхмассивной и обычной черных дыр. Это, конечно, мало, но при продолжительном наблюдении за активными ядрами галактик вполне вероятно уловить «икание» при поглощении очередной звезды и по его периодичности «увидеть» компактного, но массивного компаньона.

Получается, аккреционные диски сверхмассивных черных дыр не такие уж «гладкие». В них могут летать черные дыры и, вероятно, звезды.

«Это совершенно иной зверь. Он совсем не укладывается в наши представления о таких системах. Мы видим доказательства того, что объекты могут влетать и пролетать диск насквозь, под разными углами, и это не совпадает с принятой картиной простого газового диска вокруг черной дыры. Мы думаем, существует немало подобных систем», — объяснил важность открытия Пашам.

Поток плазмы вырвался из центра галактики M87 и простирается более чем на 5000 световых лет в нашем направлении. Источником джета является сверхмассивная черная дыра.

Команда ученых из Массачусетского технологического института (MIT) смогла вычислить скорость вращения сверхмассивной черной дыры, находящейся в галактике на расстоянии примерно в миллиард световых лет от нас. Впервые это удалось сделать с помощью колебаний аккреционного диска черной дыры.

Исследование началось еще в 2020 году, когда сразу несколько телескопов смогли зафиксировать вспышку в центре удаленной галактики, получившую название AT2020ocn. Наблюдения показали, что вспышка случилась из-за приливного разрушения звезды черной дырой. Разорванная звезда некоторое время поглощалась черной дырой, а материал из нее сформировал разогретый аккреционный диск.

А поскольку звезда может попасть в зону разрушения с любого направления, диск также смещается при вращении черной дыры. Это может вызывать колебания или прецессию вращения. Поскольку колебания и скорость вращения связаны, авторы исследования предположили, что по первому можно определить второе.

Главной задачей в этом деле является оперативная организация наблюдений, потому что фиксировать прецессию нужно практически сразу после момента приливного разрушения звезды, чтобы наблюдать динамику на разных временных масштабах: от минут до месяцев и лет. Вспышка AT2020ocn подошла для наблюдений, потому что своевременно попала в поле зрение телескопов.

Исследователи смогли уловить прецессию аккреционного диска до того, как он успокоился. Они обнаружили, что в рентгеновском диапазоне интенсивность излучения колеблется с периодом в 15 дней, что и связали с колебаниями диска. Также была измерена масса черной дыры – она составляет примерно 2,5 миллиона солнечных. И после этого удалось оценить скорость вращения – она равна примерно 25 процентам от скорости света.

Считается, что это не так много для черной дыры. Но само по себе это одно значение ничего не значит. С учетом растущих возможностей для наблюдений астрономы рассчитывают улавливать и другие приливные разрушения рядом с другими черными дырами, чтобы собрать статистику и выявить распределение скоростей вращения черных дыр, что позволит приблизиться к пониманию еще одной их характеристики.