Телескоп Спитцера показал точный момент в танце черных дыр

Космический телескоп, находясь на далекой от Земли орбите, смог увидеть предусмотренное прохождение одной черной дыры через аккреционный диск другой, гигантской черной дыры.

Об этом рассказывают в Лаборатории реактивного движения НАСА, которая находится в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадене.

Черные дыры не неподвижны в космосе; на самом деле они могут быть достаточно активными в своих движениях. Но, поскольку они полностью темные и их невозможно наблюдать непосредственно, их нелегко изучить. Ученые наконец выяснили точный момент в сложном танце между двумя огромными черными дырами, раскрыв скрытые детали о физических характеристиках этих таинственных космических объектов.

В галактике «OJ 287» находится одна из крупнейших черных дыр среди когда-либо обнаруженных с массой более чем 18 миллиардов раз больше массы нашего Солнца. На орбите этого гиганта – еще одна черная дыра, которая примерно в 150 миллионов раз превышает массу Солнца. Дважды за каждые 12 лет меньшая черная дыра пробивается через огромный диск из газа, окружающий ее большую спутницу, создавая вспышка света, ярче триллиона звезд – более яркий, даже чем вся галактика Млечный Путь. Свету нужно 3,5 миллиарда лет, чтобы достичь Земли.

Читайте еще новости о черных дырах

Но орбита меньшей черной дыры продолговатая, не круглая, и нерегулярная: она смещает свое положение после каждой петли вокруг большей черной дыры и наклонена относительно газового диска. Когда меньшая черная дыра пробивается через диск, она создает два расширяющихся пузырька горячего газа, которые удаляются от диска в противоположных направлениях, и меньше чем за 48 часов система кажется четырехкратной в яркости.

Из-за нерегулярной орбиты, черная дыра сталкивается с диском в разное время в течение каждого 12-летнего оборота. Иногда вспышки появляются с разницей всего в один год; в другие разы, с разницей до 10 лет. Попытки смоделировать орбиту и предусмотреть, когда бы могли происходить вспышки, заняли десятилетия, но в 2010 году ученые создали модель, которая могла бы предсказать их возникновения в пределах одной-двух недель. Они продемонстрировали, что их модель верна, предусмотрев появление вспышки в декабре 2015 года в рамках трех недель.

Впоследствии, в 2018 году, группа ученых под руководством Ленкесварой Дэя, аспиранта Татского института фундаментальных исследований в Мумбаи, Индия, опубликовала документ с еще более детальной моделью, которая, как они утверждали, сможет предсказать время будущих вспышек в пределах четырех часов. В новом исследовании, опубликованном в «Astrophysical Journal Letters», эти ученые сообщают, что их точный прогноз вспышки, который произошел 31 июля 2019, подтверждает, что модель является правильной.

Наблюдение за этой вспышкой почти не произошло. Поскольку «OJ 287» находилась на противоположной от Солнца стороне по направлению с Земли, вне поля зрения всех телескопов на Земле и на ее орбите, черная дыра не возвращалась в поле зрения телескопов до начала сентября, уже длительное время после того, как вспышка поблекла. Но система была в поле зрения космического телескопа Спитцера НАСА, который агентство вывело из эксплуатации в январе 2020 года.

После 16 лет работы, орбита космического корабля была размещена на расстоянии 254 миллиона километров от Земли, или более чем в 600 раз больше расстояния между Землей и Луной. С этой точки обзора Спитцер мог наблюдать за системой с 31 июля (в тот же день, когда ожидалось появлений вспышки) в начале сентября, когда OJ 287 стала заметной для телескопов на Земле.

«Когда я впервые проверил видимость OJ 287, я был шокирован, обнаружив, что она стала видимой для Спитцера прямо в тот день, когда предвиделась следующая вспышка», - сказал Сеппо Лайн, научный сотрудник Калтех/IPAC, который просматривал наблюдения Спитцера за системой. «Очень повезло, что мы смогли получить пик этой вспышки со Спитцером, так как ни один другой инструмент, созданный человеком, не смог достичь этого подвига в тот конкретный момент времени».

Пульсации в космосе

Ученые регулярно моделируют орбиты маленьких объектов в нашей Солнечной системе, например, комета, которая вращается вокруг Солнца, принимая во внимание факторы, которые наиболее существенно будут влиять на ее движение. Для этой кометы гравитация Солнца обычно является доминирующей силой, но гравитационное притяжение соседних планет также может изменить ее траекторию.

Новости по подобной теме:

		В нашей галактике найдена самая массивная черная дыра звездной массы
		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры
		Сверхмассивные черные дыры ненадолго просыпаются из глубокого сна благодаря измельченным ими звездам

Определение движения двух огромных черных дыр является гораздо более сложным делом. Ученые должны учитывать факторы, которые могут незначительно влиять от мелких объектов; главным среди них является то, что называется гравитационными волнами. Теория общей относительности Эйнштейна описывает гравитацию как искривление пространства массой объекта. Когда объект движется через пространство, искажение превращаются в волны. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, но они не наблюдались непосредственно до 2015 года, что было сделано с помощью Лазерного интерферометра гравитационных волн (LIGO) – за это была присуждена Нобелевская премия.

Чем больше масса объекта, тем больше и энергичнее гравитационные волны, которые он создает. Ученые ожидают, что в системе OJ 287 гравитационные волны будут настолько большими, что они могут отнести достаточное количество энергии от системы, чтобы умеренно изменить орбиту меньшей черной дыры - и, следовательно, можно будет установить время вспышек.

Хотя предыдущие исследования OJ 287 учитывали гравитационные волны, модель 2018 является наиболее детальной. Включив информацию, полученную с детекторов гравитационных волн LIGO, она уточняет границы, в которых ожидается появление вспышки всего за 1,5 дня.

Для дальнейшего уточнения прогнозирования вспышек всего за 4 часа, ученые включили детали о физических характеристиках большей черной дыры. В частности, новая модель включает в себя то, что называется «безволосой» теоремой черных дыр.

Опубликованная в 1960-х годах группой физиков, в которую входил Стивен Хокинг, эта теорема делает предсказания о природе «поверхностей» черных дыр. Хотя черные дыры не имеют истинных поверхностей, ученые знают, что вокруг них есть предел, за которой ничего – даже свет – не может убежать. Некоторые идеи утверждают, что внешняя граница, которую называют горизонтом событий, может быть неровной или нерегулярной, но теорема о безволосости утверждает о том, что «поверхность» не имеет таких особенностей, даже волос (теорема так была названа в шутку).

Иными словами, если бы разрезать черную дыру посередине вдоль ее оси вращения, поверхность была бы симметричной. (Ось вращения Земли почти идеально выровнена с ее Северным и Южным полюсами. Если разрезать планету пополам вдоль этой оси и сравнить две половины, вы увидите, что наша планета в основном симметричная, хотя такие черты, как океан и горы, создают некоторые небольшие вариации между этими половинками.)

Поиск симметрии

В 1970-х годах заслуженный профессор Калтеха Кип Торн описал, как этот сценарий – со спутником, вращающимся вокруг массивной черной дыры, – потенциально может показать: поверхность черной дыры гладкая или ухабистая. Правильно предусмотрев орбиту меньшей черной дыры с такой точностью, новая модель поддерживает теорему о безволосости, что означает, что наше базовое понимание этих невероятно странных космических объектов является правильным. Иными словами, система OJ 287 поддерживает идею, что поверхности черных дыр симметричны вдоль их осей вращения.

Так как гладкость поверхности массивной черной дыры влияет на время орбиты меньшей черной дыры? Эта орбита определяется преимущественно массой большей черной дыры. Если бы она стала более массивной или пролила часть себя, это изменило бы размер орбиты меньшей черной дыры. Но и распределение массы также имеет значение. Массивная выпуклость на одной стороне большей черной дыры искажала бы пространство вокруг нее иначе, чем если бы черная дыра была симметричной. Это потом изменило бы путь меньшей черной дыры, когда она вращается вокруг своего спутника и умеренно изменило бы сроки столкновения черной дыры с диском на этой конкретной орбите.

«Ученым в области черных дыр важно, чтобы мы доказали или опровергли теорему о безволосости. Без нее мы не можем верить, что черные дыры, как это предусматривает Хокинг и другие, вообще существуют», - сказал Маури Валтонен, астрофизик из Университета Турку в Финляндии и соавтор научной статьи.

Читайте еще интересные новости о космосе.

• Черные дыры