|
Впервые измерили вращение сверхмассивной черной дыры
|
|
|
|
У астрономов Массачусетского технологического института, НАСА и других организаций появился новый способ измерения скорости вращения черной дыры, используя колебания, возникающие в результате ее звездного пиршества. В этом методе используется эффект приливного разрушения черной дыры — ослепительно яркий момент, когда черная дыра воздействует приливами на проходящую мимо звезду и разрывает ее на части. Когда звезда разрушается под действием огромных приливных сил черной дыры, половина звезды разлетается вдребезги, в то время как другая половина вращается вокруг черной дыры, образуя чрезвычайно горячий аккреционный диск из вращающегося звездного материала. Команда под руководством Массачусетского технологического института показала, что колебание недавно созданного аккреционного диска является ключом к определению вращения, присущего центральной черной дыре. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, астрономы сообщают, что они измерили вращение близлежащей сверхмассивной черной дыры, проследив последовательность рентгеновских вспышек, которые черная дыра произвела сразу после приливного срыва.
|
|
|
|
Команда ученых следила за вспышками в течение нескольких месяцев и определила, что они, вероятно, были сигналом о ярко-горячем аккреционном диске, который раскачивался взад-вперед, когда его толкало и притягивало собственное вращение черной дыры. Проследив за тем, как колебание диска менялось с течением времени, ученые смогли определить, насколько сильно вращение черной дыры влияло на диск и, в свою очередь, насколько быстро вращалась сама черная дыра. Их анализ показал, что черная дыра вращается со скоростью менее 25 процентов скорости света — относительно медленно для черных дыр. Ведущий автор исследования, научный сотрудник Массачусетского технологического института Дирадж "Ди Джей" Пашам, говорит, что новый метод может быть использован для измерения вращений сотен черных дыр в локальной Вселенной в ближайшие годы. Если ученые смогут изучить вращения многих близлежащих черных дыр, они смогут начать понимать, как гравитационные гиганты эволюционировали на протяжении истории Вселенной.
|
|
|
"Изучив в ближайшие годы несколько систем с помощью этого метода, астрономы смогут оценить общее распределение вращений черных дыр и понять давний вопрос о том, как они эволюционируют с течением времени", - говорит Пашам, сотрудник Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. В число соавторов исследования входят сотрудники ряда учреждений, в том числе НАСА, Университета Масарика в Чехии, Лидского университета, Сиракузского университета, Тель-Авивского университета, Польской академии наук и других. Каждой черной дыре присущ свойственный спин, который со временем формируется в результате ее космических столкновений. Если, например, черная дыра выросла в основном за счет аккреции — кратковременных случаев, когда на диск попадает некоторое количество вещества, это приводит к тому, что черная дыра начинает вращаться с довольно высокой скоростью. Напротив, если черная дыра растет в основном за счет слияния с другими черными дырами, то каждое слияние может замедлить процесс, поскольку вращение одной черной дыры совпадает со вращением другой.
|
|
|
|
Когда черная дыра вращается, она увлекает за собой окружающее пространство-время. Этот эффект сопротивления является примером прецессии Ленса-Тирринга, давней теории, описывающей, каким образом чрезвычайно сильные гравитационные поля, подобные тем, которые генерируются черной дырой, могут воздействовать на окружающее пространство и время. Обычно этот эффект не был бы очевиден вокруг черных дыр, поскольку массивные объекты не излучают света. Но в последние годы физики предположили, что в таких случаях, как, например, во время приливного разрушения, у ученых может появиться шанс отследить излучение звездных обломков, когда они перемещаются по орбите. Тогда они могли бы надеяться измерить вращение черной дыры. В частности, ученые предсказывают, что во время TDE звезда может упасть на черную дыру с любого направления, образовав диск из раскаленного добела измельченного материала, который может быть наклонен или смещен относительно вращения черной дыры. (Представьте себе аккреционный диск в виде наклоненного бублика, который вращается вокруг отверстия для бублика, имеющего свое собственное, отдельное вращение.)
|
|
|
|
Когда диск попадает во вращение черной дыры, он начинает колебаться, поскольку черная дыра притягивает его к себе. В конце концов, колебания прекращаются, когда диск начинает вращаться в направлении черной дыры. Ученые предсказали, что колеблющийся диск TDE, следовательно, должен быть измеримой характеристикой вращения черной дыры. "Но ключевым моментом были правильные наблюдения", - говорит Пашам. "Единственный способ, которым вы можете это сделать, - это как только произойдет нарушение приливного режима, вам нужно будет установить телескоп, чтобы наблюдать за этим объектом непрерывно в течение очень долгого времени, чтобы вы могли исследовать все виды временных рамок, от минут до месяцев". В течение последних пяти лет компания Pasham искала достаточно яркие и близкие приливные явления, чтобы быстро отследить признаки прецессии Лензе-Тирринга. В феврале 2020 года ему и его коллегам посчастливилось обнаружить AT2020ocn - яркую вспышку, исходящую из галактики, находящейся на расстоянии около миллиарда световых лет от нас, которая была первоначально замечена в оптическом диапазоне с помощью транзиторной установки Цвикки.
|
|
|
|
Судя по оптическим данным, вспышка произошла в первые мгновения после TDE. Пэшем предположил, что TDE, будучи яркой и расположенной относительно близко, может быть идеальным кандидатом для поиска признаков колебания диска и, возможно, измерения вращения черной дыры в центре галактики. Но для этого ему потребовалось бы гораздо больше данных. "Нам нужны были быстрые данные с высокой частотой вращения", - говорит Пашам. "Важно было зафиксировать это на ранней стадии, потому что эта прецессия, или колебание, должна была проявляться только на ранней стадии. Еще немного, и диск больше не будет колебаться". Команда обнаружила, что телескоп НАСА NICER способен улавливать TDE и непрерывно следить за ним в течение нескольких месяцев. NICER — сокращение от Neutron star Interior Composition ExploreR — это рентгеновский телескоп на Международной космической станции, который измеряет рентгеновское излучение вокруг черных дыр и других объектов с экстремальной гравитацией. Пашам и его коллеги проанализировали наблюдения NICER за AT2020ocn, сделанные в течение 200 дней после первоначального обнаружения нарушения приливного режима.
|
|
|
|
Они обнаружили, что это событие испускало рентгеновские лучи, которые, по-видимому, достигали максимума каждые 15 дней в течение нескольких циклов, прежде чем в конечном итоге прекратиться. Они интерпретировали пики как моменты, когда аккреционный диск TDE поворачивался лицом к телескопу NICER, испуская рентгеновские лучи, а затем отклонялся в сторону, продолжая испускать рентгеновские лучи (аналогично тому, как каждые 15 дней кто-то машет фонариком в сторону и от себя). Исследователи взяли этот паттерн колебаний и применили его к оригинальной теории прецессии Ленса-Тирринга. Основываясь на оценках массы черной дыры и разрушенной звезды, они смогли получить оценку скорости вращения черной дыры — менее 25 процентов от скорости света. Их результаты знаменуют собой первый случай, когда ученые использовали наблюдения за колеблющимся диском, возникшим в результате приливного разрушения, для оценки вращения черной дыры. По мере того, как в ближайшие годы будут подключены новые телескопы, такие как обсерватория Рубина, Пашам предвидит больше возможностей для определения вращения черных дыр. "Вращение сверхмассивной черной дыры рассказывает нам об истории этой черной дыры", - говорит Пашам. "Даже если небольшая часть из тех, что фиксирует Rubin, имеет такой сигнал, теперь у нас есть способ измерить вращения сотен TDE. Тогда мы могли бы сделать важное заявление о том, как эволюционируют черные дыры с возрастом Вселенной".
|
|
|
|
Источник
|
