О том, как удалось обнаружить и «взвесить» одну из сверхмассивных чёрных дыр

Наука и жизньНаука

Масса за горизонтом событий

Материал подготовила Виктория Смирнова

Система из двух сверхмассивных чёрных дыр в центре галактики OJ 287 в представлении художника. Рисунок: NASA/JPL-Caltech

В ядрах большинства галактик прячутся сверхмассивные чёрные дыры. Их масса может быть в миллионы и миллиарды раз больше массы Солнца. Однако это вовсе не означает, что чем больше чёрная дыра, тем её будет проще найти и исследовать. Крупные чёрные дыры могут неплохо играть с астрофизиками в прятки, тогда как дыры поменьше не прочь и проявить себя, порой весьма ярким образом. Кстати, в центре одной и той же галактики могут мирно уживаться две чёрные дыры разного размера, подобные двойные объекты астрономы находят всё чаще. О том, как удалось обнаружить — а потом и «взвесить»! — меньшую из двух сверхмассивных чёрных дыр в галактике OJ 287, рассказывает доктор физико-математических наук Елена Сейфина, ведущий научный сотрудник отдела звёздной астрономии Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ.

Зачем «взвешивать» чёрные дыры?

Наверное, нужно начать издалека: зачем вообще изучать чёрные дыры? Космос — это наш дом. И его очень интересно исследовать, узнавать, что находится в окрестностях Солнечной системы, а что затерялось в его далёких уголках.

С точки зрения физики, чёрные дыры являются проявлением сверхсильных полей тяготения. Полей, которые способны разгонять движущееся в них вещество до скоростей, близких к скоростям света. Ни в каких других объектах поля тяготения не достигают столь больших величин. Удивительно, что причиной такой «сверхсилы» чёрных дыр служит просто их большая масса (загнанная под горизонт событий или, правильнее сказать, сконцентрированная в пределах гравитационного радиуса). Поэтому и важно оценить, насколько велика эта масса, за счёт чего чёрная дыра её наращивает или теряет, какую роль она играет в равновесии окружающего многомерного пространства. Возможно, удастся получить ответы на эти вопросы в недалёком будущем. А пока мы исследуем доступные в нашем измерении свойства чёрных дыр, ключевое из которых — их масса.

Понятно, что чёрные дыры нельзя увидеть в прямом смысле этого слова. Мы лишь догадываемся о наличии чёрной дыры по её гравитационному воздействию на окружающие звёзды или вещество. Дело в том, что вещество, аккрецирующее на чёрную дыру, сразу не может упасть на неё, так как оно вращается по орбите и центробежные силы мешают его падению на тяготеющий центр. Вещество постепенно закручивается по спирали вокруг чёрной дыры в диск — его называют аккреционным диском. Из-за того, что эти спиральные слои трутся друг о друга, они разогреваются до таких температур, при которых материя уже начинает светиться в рентгеновском диапазоне. Рентген мы видим хорошо и благодаря ему понимаем, где находится чёрная дыра. Первый объект, содержащий чёрную дыру, Cygnus X-1, был открыт ещё в 1964 году именно в рентгеновском диапазоне длин волн.

Поэтому чёрные дыры лучше всего изучать в рентгеновских лучах. Однако земная атмосфера полностью поглощает космическое рентгеновское излучение, из-за чего наблюдения за рентгеном от чёрных дыр можно вести, только «выйдя за атмосферу». Так что с усовершенствованием орбитальной техники процесс наблюдений за чёрными дырами значительно упростился (см. статью: А. Понятов. «„Спектр-РГ”. Обсерватория для нового обзора неба». — «Наука и жизнь» № 8, 2019 г. — Прим. ред.).

Преимущество рентгеновского излучения ещё и в том, что оно несёт больше информации из самых дальних уголков Вселенной из-за его высокой проницаемости в межзвёздной среде по сравнению со светом оптического диапазона. Данные наблюдений с орбитальных рентгеновских телескопов сейчас доступны из любой точки мира по интернету. Раньше, лет десять тому назад, результаты космических наблюдений можно было получить только в специальных космических центрах за рубежом. И обработку наблюдений приходилось проводить там же. Сейчас уже накопилось множество архивных данных, которые доступны любому пользователю. Нужно лишь ввести имя объекта, указать название телескопа, примерные даты наблюдения и скачать информацию. А потом уже начинать обработку данных.

Мы с моим коллегой Львом Григорьевичем Титарчуком заметили, что все чёрные дыры, независимо от их массы, ведут себя одинаково во время рентгеновских вспышек. То есть их вспышки происходят всегда по одному и тому же сценарию. Чёрные дыры с небольшой массой называются чёрными дырами звёздных масс, потому что их масса примерно такая же, как у звёзд: от 3 до 20 масс Солнца (массы звёзд и чёрных дыр принято измерять в массах Солнца, 1 М = 2 × 1033 г). Это относительно легковесные чёрные дыры. Но бывают чёрные дыры с очень большой массой — их называют сверхмассивными, они весят 1—1000 миллионов масс Солнца. Когда мы подробно изучили сценарий вспышек у чёрных дыр звёздных масс, то смогли применить его и к сверхмассивным чёрным дырам. Главным индикатором чёрных дыр и их большой массы были именно рентгеновские вспышки, протекающие по специфическому сценарию. Во время нарастания вспышки происходит постепенное увеличение такого параметра, как фотонный индекс Γ, который выходит на характерное «плато». Подобный участок насыщения на кривой служит ключевым признаком наличия чёрной дыры в двойной системе.

То есть чтобы распознать чёрную дыру в центре галактики, необходимо наблюдать эту галактику во время вспышки. Так мы и сделали: следили за галактикой OJ 287 во время последней её вспышки. Нам удалось обнаружить это «плато» и понять, что природа наблюдаемой вспышки обусловлена наличием в её центре сверхмассивной чёрной дыры, а также оценить её массу. За этой кажущейся простотой метода на самом деле стоит многолетний труд и множество исследований маленьких чёрных дыр.

Галактика OJ 287 — яркий представитель нового класса релятивистских объектов, открытия которых посыпались как из рога изобилия, особенно в течение последних двух лет. Всего около 10% галактик показывают активность в виде рентгеновских вспышек, причём вспыхивают главным образом ядра галактик. Долгое время причина этой активности оставалась загадкой. Было предложено множество разных гипотез, одна из них сейчас принята в качестве рабочей: в центре галактики находится чёрная дыра, и активность ядра вызвана падением вещества галактики на эту чёрную дыру.

Роль центральных чёрных дыр в жизни галактик полна загадок, начиная с их рождения. Считается, что галактики образуются вокруг чёрных дыр. Далее чёрная дыра может ускорять или приостанавливать рост галактики вокруг себя. Существовало мнение, что сверхмассивные чёрные дыры крепко «держат» свои галактики. Хотя сейчас доказали, что если чёрную дыру каким-то образом удалить из центра сформировавшейся галактики, галактика не развалится и, возможно, даже не ощутит этой «потери». Но пока чёрная дыра находится в центре галактики, она соединяет приятное с полезным, ведь именно в этом месте дыра наращивает свою массу.

Хоть галактика OJ 287 и расположена очень далеко от Земли — 1 гигапарсек, или 3,5 миллиарда световых лет, — она содержит в своём центре одну из самых массивных среди известных чёрных дыр во Вселенной. Возможно, этим и объясняется её мощное излучение. Поэтому она и интересна. Тем более что в OJ 287 не одна, а две сверхмассивные чёрные дыры.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Мифы и факты: что открыл Галилео Галилей Мифы и факты: что открыл Галилео Галилей

В чем ошибся Галилей

Вокруг света
Как отличить плохое настроение от клинической депрессии: 10 признаков Как отличить плохое настроение от клинической депрессии: 10 признаков

Клиническая депрессия у разных пациентов может проявляться по-разному

Psychologies
Свержение Аполлона Свержение Аполлона

Как возник «лунный заговор» — главная теория фальсификации XX века

Вокруг света
На море, в поход или в горы: какую аптечку взять в отпуск? На море, в поход или в горы: какую аптечку взять в отпуск?

На любом отдыхе нужно быть во всеоружии и заранее подготовить аптечку

Maxim
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Atomic Heart: эксклюзивный отрывок книги Atomic Heart: эксклюзивный отрывок книги

Узнайте «предысторию предприятия 3826»

Maxim
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Карты, деньги, два стола: 15 лучших фильмов об азартных играх Карты, деньги, два стола: 15 лучших фильмов об азартных играх

Поп лучших фильмов про покер и другие карточные и азартные игры

Forbes
Античный коммунизм Античный коммунизм

Кто всех суровее в Древней Греции?

Дилетант
Война, любовь и ретро-детектив: пять лучших книжных новинок лета Война, любовь и ретро-детектив: пять лучших книжных новинок лета

В последний летний месяц еще можно успеть взять большой роман и прочитать его

Forbes
Как ничто стало нечто и почему это так важно? Как ничто стало нечто и почему это так важно?

Изобретение нуля

Наука и жизнь
Искусство быть круглым. Как Смешарики говорят с детьми на серьезные темы Искусство быть круглым. Как Смешарики говорят с детьми на серьезные темы

Какие философские идеи поднимают Смешарики

СНОБ
«Кладовые солнца» калужской земли «Кладовые солнца» калужской земли

Болота. Много или мало их в России?

Наука и жизнь
Инвестпроекты снимают с паузы Инвестпроекты снимают с паузы

АПК остается привлекательным для вложений, несмотря на трудности

Агроинвестор
Жившие на Днепре 6200 лет назад люди оказались автохтонами с 4400-летним стажем Жившие на Днепре 6200 лет назад люди оказались автохтонами с 4400-летним стажем

Палеогенетики проанализировали ДНК 56 человек, живших на Днепре 6200 лет назад

N+1
Осетрина для дедушки. Что можно считать психологической травмой Осетрина для дедушки. Что можно считать психологической травмой

Чем психологическая травма отличается от обучающих подростка программ и событий

СНОБ
«Тихий наем»: почему продвижение по службе не всегда хорошо для сотрудника и компании «Тихий наем»: почему продвижение по службе не всегда хорошо для сотрудника и компании

Руководители не учитывают набор рисков, возникающих вследствие «тихого найма»

Forbes
«Тампон почти убил меня»! Как модель потеряли ноги из-за синдрома токсического шока «Тампон почти убил меня»! Как модель потеряли ноги из-за синдрома токсического шока

Средства интимной гигиены сделали молодую девушки инвалидом

ТехИнсайдер
Громкое дело Громкое дело

Зачем мы повышаем голос? Почему разговариваем так именно с любимыми людьми?

Лиза
Альпакотерапия: как она помогает справляться с психологическими трудностями Альпакотерапия: как она помогает справляться с психологическими трудностями

Взаимодействие с альпаками способно привести человека в душевное равновесие

Psychologies
Феномен курортных романов: почему отдыхающие охотнее идут на измену Феномен курортных романов: почему отдыхающие охотнее идут на измену

В чем причина того, что люди на курортах легче решаются на измену?

Psychologies
Как сравнение с другими разрушает нас Как сравнение с другими разрушает нас

Ваш жизненный путь не похож на путь других, потому что этого не может быть

Psychologies
«От вакансий руки опускаются»: как я полгода училась на тестировщика, а теперь не могу найти работу «От вакансий руки опускаются»: как я полгода училась на тестировщика, а теперь не могу найти работу

Легко ли сменить специальность?

VOICE
Анализ писем графа Дракулы показал, что у него было заболевание, из-за которого он плакал кровью Анализ писем графа Дракулы показал, что у него было заболевание, из-за которого он плакал кровью

Правитель Валахии XV века Влад III (прототип графа Дракулы) мог плакать кровью

ТехИнсайдер
Дошли до Волги Дошли до Волги

Как немецкие бюргеры оказались в Поволжье и что вышло из этой авантюры

Вокруг света
Что делать со старым ненужным смартфоном: 10 сценариев использования Что делать со старым ненужным смартфоном: 10 сценариев использования

Если вы поменяли смартфон, не спешите выбрасывать старый

CHIP
Половина контента про пожилых в тиктоке показала их с негативной стороны Половина контента про пожилых в тиктоке показала их с негативной стороны

Зумеры высмеивают бумеров за их ценности и отношение к молодежи

N+1
«Ты — мое все»: 5 фильмов про одержимость любовью «Ты — мое все»: 5 фильмов про одержимость любовью

Как проявляется одержимая любовь?

Psychologies
Большой ходячий дрон стал аэродромом для дронов поменьше Большой ходячий дрон стал аэродромом для дронов поменьше

Большой ходячий дрон стал аэродромом для дронов поменьше

N+1
Новая молекула придает полимерам свойства металлов: будущее 3D-печати Новая молекула придает полимерам свойства металлов: будущее 3D-печати

Эта новая молекула может увеличить долговечность множества вещей

ТехИнсайдер
Открыть в приложении