В новом исследовании физики рассмотрели опасности черных дыр, чтобы определить минимальное безопасное расстояние до них, с которого человек мог бы наблюдать эти страшные объекты Вселенной, не рискуя жизнью и здоровьем. Горизонт событий черной дыры — это невидимая линия, после пересечения которой вы уже не сможете вернуться в исходную точку и будете затянуты в неизвестность, из которой не способен вырваться даже свет. То есть, за этой линией гравитация черной дыры непреодолима.
Но ничто не мешает находиться на орбите черной дыры: гравитация — это просто притяжение, а полет по орбите — это просто свободное падение. Действительно, множество объектов вращаются вокруг черных дыр. Но, не имея двигателей, чтобы корректировать высоту орбиты, они просто путешествуют в бездну без шанса на возвращение. Когда же вещество приближается к черной дыре на определенное расстояние, которое зависит от массы дыры, оно сжимается в тонкую как бритва полоску, образуя аккреционный диск. Этот диск быстро вращается и ярко светится в результате трения, а также действия магнитных и электрических сил.
У массивных черных дыр аккреционные диски светятся настолько интенсивно, что даже получили особое название — активные ядра галактик. Они способны затмить свет многих галактик в небе. В аккреционном диске частицы материала соприкасаются, отбирая энергию вращения друг у друга, и сваливаясь из-за этого в зияющую пасть, за горизонт событий черной дыры. Но если бы не эти силы трения, материал мог бы очень долго вращаться вокруг черной дыры, так же, как планеты могут вращаться вокруг Солнца в течение миллиардов лет.
Однако, когда вы приближаетесь к черной дыре, рано или поздно (опять же, все зависит от массы дыры) вы достигаете определенной точки, где все надежды на стабильное движение разбиваются о камни гравитации. Еще до достижения горизонта событий гравитационные силы оказываются настолько экстремальными, что устойчивые орбиты просто невозможны. Как только вы достигнете этого места, вы уже не сможете оставаться на спокойной стабильной орбите.
Далее есть два варианта: либо вы на ракете и способны отойти на более безопасное расстояние, где возможна стабильная орбита, либо вы обречены свободно падать в темный кошмар под вами. Данная граница — ISCO, где возможно сохранение движения по устойчивой круговой орбите, объясняется общей теорией относительности Эйнштейна — той же самой теорией, которая предсказала существование самих черных дыр. Несмотря на успех общей теории относительности в предсказании и объяснении явлений Вселенной, ученым еще ни разу не удалось проверить существование границы, на которой возможны стабильные орбиты. Но газ, который падает в черную дыру, может помочь исследователям в очередной раз проверить теорию.
Группа астрономов недавно опубликовала интересную статью в журнале Королевского астрономического общества. В ней рассказывается, как можно использовать свет аккреционного диска для изучения ISCO. Идея основывается на астрономической уловке, известной как картография реверберации: различные области вокруг черной дыры светятся по-разному. Когда газ аккреционного диска проходит мимо ISCO и приближается к черной дыре, он становится настолько горячим, что испускает широкий спектр рентгеновского излучения высокой энергии. Этот свет распространяется во всех направлениях и освещает области, расположенные далеко за пределами аккреционного диска. А там уже находятся скопления холодного газа.
Холодный газ получает энергию от рентгеновских лучей и начинает излучать свой собственный свет. Этот процесс называется флуоресценцией. Обнаружить данное излучение можно, несмотря на рентгеновские вспышки, происходящие ближе к черной дыре. Требуется время, чтобы рентгеновский свет вышел за пределы ISCO и достиг холодного газа. Если смотреть внимательно, то вначале появятся вспышки в центральных областях аккреционного диска, затем последует «реверберация» подсветки слоев за пределами ISCO.
Время прохождения и детали иллюминации отраженного света зависят от структуры аккреционного диска, которую используют также для оценки массы черных дыр. В исследовании ученые использовали сложные компьютерные симуляции, чтобы увидеть, как движение газа внутри ISCO влияет на рентгеновские лучи как вблизи черной дыры, так и в облаках холодного газа. Согласно прогнозам, рентгеновские телескопы следующего поколения смогут подтвердить существование границы ICSO и проверить, соответствует ли она существующим представлениям.
