Телескоп Спітцера показав точний момент в танці чорних дір

Космічний телескоп, знаходячись на далекій від Землі орбіті, зміг побачити передбачене проходження однієї чорної діри через акреційний диск іншої, гігантської чорної діри.

Про це розповідають в Лабораторії реактивного руху НАСА, що знаходиться в Каліфорнійському технологічному інституті (Калтех) в Пасадені.

Чорні діри не нерухомі в космосі; насправді вони можуть бути досить активними у своїх рухах. Але, оскільки вони повністю темні і їх неможливо спостерігати безпосередньо, їх не просто вивчити. Вчені нарешті з’ясували точний момент в складному танці між двома величезними чорними дірами, розкривши приховані деталі про фізичні характеристики цих таємничих космічних об’єктів.

В галактиці «OJ 287» знаходиться одна з найбільших чорних дір серед коли-небудь виявлених, з масою у понад 18 мільярдів разів більшою за масу нашого Сонця. На орбіті цього гіганта – ще одна чорна діра, яка приблизно в 150 мільйонів разів перевищує масу Сонця. Двічі за кожні 12 років менша чорна діра пробивається через величезний диск з газу, що оточує її більшу супутницю, створюючи спалах світла, яскравіший за трильйон зірок — яскравіший, навіть, ніж уся галактика Чумацький Шлях. Світлу потрібно 3,5 мільярдів років, щоб досягти Землі.

Читайте ще новини про чорні діри

Але орбіта меншої чорної діри продовгувата, не кругла, і нерегулярна: вона зміщує своє положення що кожної петлі навколо більшої чорної діри і нахилена відносно газового диску. Коли менша чорна діра пробивається через диск, вона створює дві бульбашки гарячого газу, що розширюються, які віддаляються від диска в протилежних напрямках, і менше ніж за 48 годин система здається чотирикратною в яскравості.

Через нерегулярну орбіту, чорна діра стикається з диском в різний час протягом кожного 12-річного оберту. Іноді спалахи з’являються з різницею всього в один рік; в інші рази, з різницею аж 10 років. Спроби змоделювати орбіту та передбачити, коли б могли відбуватися спалахи, зайняли десятиліття, але у 2010 році вчені створили модель, яка могла б передбачити їх виникнення у межах одного-двох тижнів. Вони продемонстрували, що їхня модель правильна, передбачивши появу спалаху у грудні 2015 року у межах трьох тижнів.

Згодом, у 2018 році, група вчених під керівництвом Ленкесварою Дей, аспіранта Татського інституту фундаментальних досліджень в Мумбаї, Індія, опублікувала документ з ще більш детальною моделлю, яка, як вони стверджували, зможе передбачити час майбутніх спалахів у межах чотирьох годин. У новому дослідженні, опублікованому в «Astrophysical Journal Letters», ці вчені повідомляють, що їх точний прогноз спалаху, який стався 31 липня 2019 року, підтверджує, що модель є правильною.

Спостереження за цим спалахом майже не відбулося. Оскільки «OJ 287» знаходилася на протилежній від Сонця стороні з напрямку Землі, поза полем зору всіх телескопів на Землі та на її орбіті, чорна діра не поверталася в поле зору телескопів до початку вересня, вже тривалий час після того, як спалах побляк. Але система була в полі зору космічного телескопу Спітцера НАСА, який агентство вивело з експлуатації у січні 2020 року.

Після 16 років роботи, орбіта космічного корабля була розміщена на відстані 254 мільйони кілометрів від Землі, або більш ніж у 600 разів більше відстані між Землею та Місяцем. З цієї точки огляду Спітцер міг спостерігати за системою з 31 липня (того ж дня, коли очікувався появ спалаху) до початку вересня, коли OJ 287 стала помітною для телескопів на Землі.

«Коли я вперше перевірив видимість OJ 287, я був шокований, виявивши, що вона стала видимою для Спітцера прямо в той день, коли передбачувався наступний спалах», - сказав Сеппо Лайн, науковий співробітник Калтех/IPAC, який переглядав спостереження Спітцера за системою. «Надзвичайно пощастило, що ми змогли отримати пік цього спалаху зі Спітцером, тому що жоден інший інструмент, створений людиною, не зміг досягнути цього подвигу в той конкретний момент часу».

Пульсації в космосі

Вчені регулярно моделюють орбіти маленьких об’єктів у нашій Сонячній системі, наприклад, комета, що обертається навколо Сонця, беручи до уваги фактори, які найбільш суттєво впливатимуть на її рух. Для цієї комети гравітація Сонця зазвичай є домінуючою силою, але гравітаційне тяжіння сусідніх планет також може змінити її траєкторію.

Новини за подібною темою:

		У ранньому Всесвіті знайдено чорну діру, що поглинає матерію набагато швидше, ніж теоретично можливо
		Чорна діра знищує зорю та вже взялася за іншу
		Коливання Марса може бути ознакою темної матерії, говориться в дослідженні

Визначення руху двох величезних чорних дір є набагато складнішою справою. Вчені повинні враховувати фактори, які можуть незначно впливати від дрібніших об’єктів; головним серед них є те, що називається гравітаційними хвилями. Теорія загальної відносності Ейнштейна описує гравітацію як викривлення простору масою об'єкта. Коли об’єкт рухається через простір, спотворення перетворюються на хвилі. Ейнштейн передбачив існування гравітаційних хвиль у 1916 році, але вони не спостерігалися безпосередньо до 2015 року, що було зроблено за допомогою Лазерного інтерферометру гравітаційних хвиль (LIGO) – за це була присуджена Нобелівська премія.

Чим більша маса об’єкта, тим більші та енергійніші гравітаційні хвилі, які він створює. Вчені очікують, що в системі OJ 287 гравітаційні хвилі будуть настільки великими, що вони можуть віднести достатню кількість енергії від системи, щоб помірно змінити орбіту меншої чорної діри - і, отже, можна буде встановити час спалахів.

Хоча попередні дослідження OJ 287 враховували гравітаційні хвилі, модель 2018 року є найбільш детальною. Включивши інформацію, отриману з детекторів гравітаційних хвиль LIGO, вона уточнює межі, в яких очікується виникнення спалаху всього за 1,5 дня.

Для подальшого уточнення прогнозування спалахів всього за чотири години, вчені включили деталі про фізичні характеристики більшої чорної діри. Зокрема, нова модель включає в себе те, що називається «безволосою» теоремою чорних дір.

Опублікована в 1960-х роках групою фізиків, до якої входив Стівен Хокінг, ця теорема робить передбачення про природу «поверхонь» чорних дір. Хоча чорні діри не мають істинних поверхонь, вчені знають, що навколо них є межа, за якою нічого – навіть світло – не може втекти. Деякі ідеї стверджують, що зовнішня межа, яку називають горизонтом подій, може бути нерівною чи нерегулярною, але теорема про безволосість стверджує про те, що «поверхня» не має таких особливостей, навіть волосся (теорема так була названа жартома).

Іншими словами, якби розрізати чорну діру посередині вздовж її осі обертання, поверхня була б симетричною. (Вісь обертання Землі майже ідеально вирівняна з її Північним та Південним полюсами. Якщо розрізати планету навпіл вздовж цієї осі і порівняти дві половини, ви побачите, що наша планета здебільшого симетрична, хоча такі риси, як океан і гори, створюють деякі невеликі варіації між цими половинками.)

Пошук симетрії

У 1970-х роках заслужений професор Калтеху Кіп Торн описав, як цей сценарій – із супутником, що обертається навколо масивної чорної діри, – потенційно може показати, чи поверхня чорної діри гладка чи вибоїста. Правильно передбачивши орбіту меншої чорної діри з такою точністю, нова модель підтримує теорему про безволосість, що означає, що наше базове розуміння цих неймовірно дивних космічних об'єктів є правильним. Іншими словами, система OJ 287 підтримує ідею, що поверхні чорних дір симетричні вздовж їх осей обертання.

То як гладкість поверхні масивної чорної діри впливає на час орбіти меншої чорної діри? Ця орбіта визначається переважно масою більшої чорної діри. Якби вона стала більш масивною або пролила частину себе, це змінило б розмір орбіти меншої чорної діри. Але й розподіл маси також має значення. Масивна випуклість на одній стороні більшої чорної діри спотворювала б простір навколо неї інакше, ніж якби чорна діра була симетричною. Це потім змінило би шлях меншої чорної діри, коли вона обертається навколо свого супутника і помірно змінило б терміни зіткнення чорної діри з диском на цій конкретній орбіті.

«Вченим у галузі чорних дір важливо, щоб ми довели або спростували теорему про безволосся. Без неї ми не можемо вірити, що чорні діри, як це передбачає Хокінг та інші, взагалі існують», - сказав Маурі Валтонен, астрофізик з Університету Турку в Фінляндії та співавтор наукової статті.

Читайте ще цікаві новини про космос.

• Чорні діри