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

Город фестивалей Город фестивалей

1000 лет Суздалю – в чем сомневаются историки?

Вокруг света
Дьявол в мире самолетных запчастей: как TransDigm наживается на Пентагоне и авиации Дьявол в мире самолетных запчастей: как TransDigm наживается на Пентагоне и авиации

Дела у Николаса Хоули сейчас идут просто отлично

Forbes
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Чтение выходного дня: отрывок из книги «Тирания мух» Элайне Вилар Мадруги Чтение выходного дня: отрывок из книги «Тирания мух» Элайне Вилар Мадруги

Глава из жуткого, сотканного из детский страхов романа

Правила жизни
Во глубину сибирских руд Во глубину сибирских руд

По следам декабристов на каторгу в Сибирь

Вокруг света
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
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Мостинг, бредкрамбинг и другие кошмарные тренды в отношениях Мостинг, бредкрамбинг и другие кошмарные тренды в отношениях

Тренды современных отношений, которых лучше бы вообще не было

VOICE
«Это жизни наших ребят» «Это жизни наших ребят»

Воспоминания Анатолия Черняева: Афганская война, январь 1989 года

Дилетант
Сапы на Ладоге и музей в колокольне: как в Ленинградской области развивают туризм Сапы на Ладоге и музей в колокольне: как в Ленинградской области развивают туризм

Программа помогает самым активным жителям региона налаживать интересную жизнь

Forbes
Выиграть жену Выиграть жену

Интеллектуальные игры сопровождали калмыков с детства

Вокруг света
Что такое карвинг и как делают эту завивку Что такое карвинг и как делают эту завивку

В чем особенности карвинга, как его делают и на какой длине он выглядит лучше

РБК
Маховик эволюции Маховик эволюции

Эволюция жизни на Земле непрерывна и в этом смысле сравнима с вечным двигателем

Наука и жизнь
История сумасшествия: как менялась психиатрия — от античности до наших дней История сумасшествия: как менялась психиатрия — от античности до наших дней

Как изменялось отношение к психическим заболеваниям?

Psychologies
Самые странные брачные ритуалы из мира животных Самые странные брачные ритуалы из мира животных

По сравнению с брачными ритуалами водить в девушку в ресторан — это еще ничего!

Maxim
10% рабочей силы: сложно ли получить кредит самозанятому 10% рабочей силы: сложно ли получить кредит самозанятому

Банкам придется активнее работать с самозанятыми и давать им кредиты

Forbes
Ген голого землекопа продлил жизнь мышей и защитил их от рака Ген голого землекопа продлил жизнь мышей и защитил их от рака

Ген голого землекопа повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты

N+1
Самые жуткие фильмы про катакомбы, подземелья и диггеров Самые жуткие фильмы про катакомбы, подземелья и диггеров

Триллеры и хорроры для тех, кто кому боязни замкнутых пространств недостаточно

Maxim
Российский коньяк: что можно пить без последствий и с удовольствием? Российский коньяк: что можно пить без последствий и с удовольствием?

На какие из российских коньяков стоит обращать внимание при покупке?

Maxim
Групповые тренировки могут помогать терять вес эффективнее одиночных. Как так? Групповые тренировки могут помогать терять вес эффективнее одиночных. Как так?

Как оказалось, тренировки в компании имеют свои преимущества!

ТехИнсайдер
Самые странные виды спорта, которые реально существуют Самые странные виды спорта, которые реально существуют

Борьба на пальцах ног, футбол горящим мячом, хорьки в штанах и кое-что еще!

Maxim
Чемодан без ручки: почему так сложно разорвать отношения, в которых вы несчастливы Чемодан без ручки: почему так сложно разорвать отношения, в которых вы несчастливы

Почему люди не расстаются и цепляются за своего партнера до последнего?

Psychologies
На удалении от всех На удалении от всех

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

Лиза
Запад на Востоке Запад на Востоке

Филолог Арсений Дежуров написал о диалоге между двумя великими цивилизациями

Правила жизни
В июле глобальная температура была на 1,5℃ выше доиндустриальной. Глобальное потепление становится реальностью В июле глобальная температура была на 1,5℃ выше доиндустриальной. Глобальное потепление становится реальностью

Глобальная температура июля является самой высокой за всю историю

ТехИнсайдер
«Без обид»: как новый фильм с Дженнифер Лоуренс меняет восприятие женского тела «Без обид»: как новый фильм с Дженнифер Лоуренс меняет восприятие женского тела

В фильме «Без обид» Дженнифер Лоуренс демонстрирует все грани своего таланта

Forbes
Театр одного Муссолини Театр одного Муссолини

Бенито Муссолини занял пост премьер-министра Италии после «похода на Рим»

Дилетант
Пумы перешли к охоте на пересеченной местности из-за ворующих добычу медведей и волков Пумы перешли к охоте на пересеченной местности из-за ворующих добычу медведей и волков

Рост численности медведей и волков в Йеллоустоне изменил привычки пум

N+1
5 признаков человека, которого недолюбили в детстве 5 признаков человека, которого недолюбили в детстве

Как можно определить, что в детстве тебе не хватило родительской любви

VOICE
Помогите своему внутреннему ребенку: упражнение для исцеления детских травм Помогите своему внутреннему ребенку: упражнение для исцеления детских травм

Что конкретно мы можем делать, чтобы поддержать нашего внутреннего ребенка?

Psychologies
Открыть в приложении