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

Сырые земли Сырые земли

Почему важно изучать водно-болотные угодья, или ветланды?

Наука и жизнь
Большая разница? Мозги самцов и самок по-разному реагируют на хронический стресс Большая разница? Мозги самцов и самок по-разному реагируют на хронический стресс

Реакция клеток мозга на стресс отличается в зависимости от пола животного

ТехИнсайдер
Русский тур Русский тур

Как коровы из Месопотамии пришли на Русский Север, выжили и не замерзли

Вокруг света
Флейторылы подобрались к добыче под прикрытием рыб-попугаев Флейторылы подобрались к добыче под прикрытием рыб-попугаев

Ихтиологи экспериментально подтвердили эффективность охоты флейторылов

N+1
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

Что ели русские крестьяне, кто изобрел алфавит и другие вопросы и ответы

Вокруг света
Возбужденный кислород помог провести реакцию циклопропанирования Возбужденный кислород помог провести реакцию циклопропанирования

Химики обнаружили фотохимическую реакцию циклопропанирования

N+1
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Исполнение и наказание Исполнение и наказание

Как Роберт Де Ниро и Мартин Скорсезе исследовали насилие, вину и бессилие

Weekend
Незваные гости Незваные гости

Инвазивные виды могут установить свои порядки, перевернув все с ног на голову

Наука и жизнь
Мыши с ГМ-клетками послушали группу Queen и выработали инсулин Мыши с ГМ-клетками послушали группу Queen и выработали инсулин

Ученые внедрили механочувствительные рецепторы в клетки, вырабатывающие инсулин

N+1
Мимо ехали евреи Мимо ехали евреи

«И ясно, что евреи виноваты, осталось только летопись найти»

Дилетант
Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне

Чем Альберт Эйнштейн занимался в Берне в 1905-1908 годах

Наука и жизнь
Кто еще в квартире живёт? Кто еще в квартире живёт?

Насекомые и пауки, которые живут в наших квартирах

Наука и жизнь
«Душит ярость»: 6 способов успокоить нервы «Душит ярость»: 6 способов успокоить нервы

Психолог предлагает несколько шагов, которые помогут быстро успокоить ярость

Psychologies
Поэты и писатели чаще других совершают самоубийство? Узнайте об «эффекте Сильвии Плат» Поэты и писатели чаще других совершают самоубийство? Узнайте об «эффекте Сильвии Плат»

Почему творческие люди чаще других совершают самоубийство?

ТехИнсайдер
Ай, болид! Ай, болид!

Bolide 80 вошла в десятку самых быстрых яхт в мире

Y Magazine
Как выбрать арбуз и дыню? Как выбрать арбуз и дыню?

Одним нравится арбуз, другим дыня. Для всех они — олицетворение прекрасного лета

Psychologies
От «Энеиды» до «Лавины»: любимые книги миллиардеров От «Энеиды» до «Лавины»: любимые книги миллиардеров

Бизнесмены, помимо книг об инвестициях , также читают художественную литературу

Forbes
Принцесса покера: как Молли Блум заработала миллионы на игре в покер и потеряла все Принцесса покера: как Молли Блум заработала миллионы на игре в покер и потеряла все

Жизнь Молли была разрушена в одночасье, но она собрала её по кусочкам

Forbes
Юрий Симонов («Заточка»): «Лирический герой, от имени которого большинство историй рассказано, он, конечно, я» Юрий Симонов («Заточка»): «Лирический герой, от имени которого большинство историй рассказано, он, конечно, я»

Солист кантри-рэп группы «Заточка» о вселенной своих песен и отношении к деньгам

Maxim
На удалении от всех На удалении от всех

Как не попасть в коварную ловушку под названием «удаленка»?

Лиза
Физики после 67 лет поисков поймали «демона»: безмассовую, нейтральную частицу Физики после 67 лет поисков поймали «демона»: безмассовую, нейтральную частицу

Группа исследователей обнаружила безмассовую нейтральную частицу

ТехИнсайдер
Замуж за иностранца Замуж за иностранца

7 советов, как не попасть в заложники к заморскому принцу

Лиза
«Аквариум: геометрия хаоса» — эксклюзивный отрывок на MAXIM «Аквариум: геометрия хаоса» — эксклюзивный отрывок на MAXIM

«Аквариум: геометрия хаоса»: глава «Время колокольчиков»

Maxim
В Польше нашли убитых в немецком лагере Треблинка-1 заключенных В Польше нашли убитых в немецком лагере Треблинка-1 заключенных

Ученые провели исследование останков из коллективной могилы в Треблинке-1

N+1
О чем мечтают и почему ссорятся империи: история долгих отношений России и Турции О чем мечтают и почему ссорятся империи: история долгих отношений России и Турции

Как враждовали и о чем спорили две империи?

Forbes
Что общего у медузы, кошки, змеи и космонавта? Математика Что общего у медузы, кошки, змеи и космонавта? Математика

Математикам удалось обнаружить алгоритм, описывающий класс природных движений

ТехИнсайдер
«Золото, перина и ночная чертовщина». Отрывок из книги Флор Веско «Золото, перина и ночная чертовщина». Отрывок из книги Флор Веско

Виртуозно смешивая сказочные сюжеты, Флор Веско исследует бессознательное

СНОБ
От «Советского шампанского» до сырка «Дружба»: как появились популярные гастрономические бренды СССР От «Советского шампанского» до сырка «Дружба»: как появились популярные гастрономические бренды СССР

Легендарные продукты, вкус которых до сих пор вызывает ностальгию

Maxim
Главные правила кухни Главные правила кухни

В любом проекте на кухню сначала набираются ключевые игроки

Bones
Открыть в приложении