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

Колесо Сансары Колесо Сансары

Кем считают себя сами индийцы?

Вокруг света
К середине века волны жары будут угрожать здоровью всех детей мира К середине века волны жары будут угрожать здоровью всех детей мира

К 2050 году каждый ребенок в мире рискует столкнуться с частыми волнами жары

N+1
День обратился в ночь День обратился в ночь

Затмения часто влияли на ход истории всего человечества

Вокруг света
Ингибиторы протонной помпы связали с повышенным риском инфекций у детей Ингибиторы протонной помпы связали с повышенным риском инфекций у детей

Прием ИПП связан с повышенным риском серьезных инфекций у маленьких детей

N+1
Теория игр Теория игр

Прав ли сказавший, что наша жизнь – игра?

Вокруг света
Корень резуховидки отличил верх от низа благодаря белку LAZY Корень резуховидки отличил верх от низа благодаря белку LAZY

Японские ученые отследили механизм работы белков семейства LAZY

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

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Экстракт китайского цветка снизил накопление жира в адипоцитах Экстракт китайского цветка снизил накопление жира в адипоцитах

Экстракт Mallotus furetianus значительно подавляет увеличение массы тела

N+1
Сценарий, написанный жизнью Сценарий, написанный жизнью

Иной раз жизнь выдаёт такие «коленца», что сценаристам остаётся лишь записывать

Дилетант
Зачем быкам кольцо в носу? Зачем быкам кольцо в носу?

Для чего же используется кольцо в носу у быков. Спойлер: не для красоты!

ТехИнсайдер
Путь на Олимп Путь на Олимп

Как возродилась древняя традиция Олимпийских игр

Вокруг света
Штрафы за селфи и громкую музыку на пляже: как страны борются с лишними туристами Штрафы за селфи и громкую музыку на пляже: как страны борются с лишними туристами

Какие ограничения вводят власти стран, чтобы справиться с потоком туристов

Forbes
Умиротворение Умиротворение

В августе 1940 года немецкие самолеты совершили первый налёт на Великобританию

Дилетант
Я — сноб: продюсер Софья Митрофанова Я — сноб: продюсер Софья Митрофанова

Продюсер Софья Митрофанова рассказала о новых проектах

СНОБ
Спланировать омоложение города Спланировать омоложение города

Как город стремится привлечь трудовые ресурсы, и особенно молодых

Эксперт
Вежливость, терпение и позитив: чего не хватает россиянам, которые ищут работу в США Вежливость, терпение и позитив: чего не хватает россиянам, которые ищут работу в США

Зачем нужны «разговоры ни о чем» на собеседованиях в США

Forbes
В движении В движении

Мария Шурочкина каждый день старается сделать хоть один шаг вперед

OK!
Люди не уследили за мурашками на собственной коже Люди не уследили за мурашками на собственной коже

Ощущение мурашек по коже (пилоэрекция) часто нас обманывает

N+1
Самые глубокие цитаты великих писателей о пьянстве Самые глубокие цитаты великих писателей о пьянстве

Многие великие литераторы знали толк в процессе употребления алкоголя

Maxim
Cоцсети ухудшают доверие среди людей? Интересный факт! Cоцсети ухудшают доверие среди людей? Интересный факт!

Как социальные сети сказываются на уровне доверия между людьми?

ТехИнсайдер
Женщины Оппенгеймера: реальные судьбы героинь, которых сыграли Флоренс Пью и Эмили Блант Женщины Оппенгеймера: реальные судьбы героинь, которых сыграли Флоренс Пью и Эмили Блант

Какими были в реальной жизни женщины Оппенгеймера

VOICE
Правда ли, что в Древнем Египте братья брали в жены сестер: тонкости внутрисемейного брака Правда ли, что в Древнем Египте братья брали в жены сестер: тонкости внутрисемейного брака

Насколько распространены были браки внутри королевских семей Древнего Египта?

ТехИнсайдер
Затерянный Хуэй Затерянный Хуэй

Как хуэй стали дунганами и оказались по другую сторону от Небесных Гор?

Вокруг света
Безобидный нарциссизм: как использовать эту часть личности во благо Безобидный нарциссизм: как использовать эту часть личности во благо

Объясняем, почему нарциссизм — это не так плохо, как многие представляют

Psychologies
Философ в российском МИДе Философ в российском МИДе

«Разглядывание карты не всегда приводит к верным политическим выводам»

Дилетант
БАДы во вред? БАДы во вред?

Добавки, которые нужно принимать с осторожностью

Лиза
5 самых полезных овощей в конце лета: добавьте их в рацион, пока не наступил сентябрь 5 самых полезных овощей в конце лета: добавьте их в рацион, пока не наступил сентябрь

Как питаться разнообразно, добавляя в рацион не только листья салата и огурцы

Psychologies
Мы, Николай Второй. Как императора показывали в российских фильмах и сериалах Мы, Николай Второй. Как императора показывали в российских фильмах и сериалах

Все самые яркие воплощения царя на экране в постсоветском кино

СНОБ
10 интересных фактов о сверхзвуковых пассажирских самолетах — Ту-144 и Concorde 10 интересных фактов о сверхзвуковых пассажирских самолетах — Ту-144 и Concorde

Почему же закончилась эпоха сверхзвуковых пассажирских самолетов?

Maxim
300 откликов и ноль предложений: как айтишнику найти работу в Германии 300 откликов и ноль предложений: как айтишнику найти работу в Германии

Каким русскоязычным специалистам легче всего трудоустроиться в Германии

Forbes
Открыть в приложении