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

Время Кита. Осеннее небо Время Кита. Осеннее небо

Этой осенью мы завершаем разговор о созвездиях семейства Персея

Наука и жизнь
Женщины и космос: что почитать у современных писательниц космической фантастики Женщины и космос: что почитать у современных писательниц космической фантастики

В жанре космической фантастики давно и успешно работают и писательницы

ТехИнсайдер
Фекалии станут лекарством Фекалии станут лекарством

Российским клиникам разрешат новый вид терапии — пересадку кишечной микробиоты

Монокль
Куда ехать в поисках гастрономических впечатлений в России: 7 направлений Куда ехать в поисках гастрономических впечатлений в России: 7 направлений

Возможные направления для гастрономических путешественников

РБК
Согласование времен Согласование времен

Как в средневековой Европе измеряли и воспринимали время

Вокруг света
10 причин полюбить осень 10 причин полюбить осень

Предлагаем взглянуть на смену сезонов с новой стороны

Караван историй
Неупокоенные души: 7 самых известных домов с привидениями в России Неупокоенные души: 7 самых известных домов с привидениями в России

Любители острых ощущений знают все дома с призраками. Вот самые известные

Maxim
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
Наталья Сагал: «Мейерхольд посоветовал отцу: «Не говори никому, что твои родители в Америке» Наталья Сагал: «Мейерхольд посоветовал отцу: «Не говори никому, что твои родители в Америке»

Даниил Львович был в хорошем смысле социальным артистом

Коллекция. Караван историй
Психолог, юрист, убежище: как в Нижнем Новгороде помогают пострадавшим женщинам Психолог, юрист, убежище: как в Нижнем Новгороде помогают пострадавшим женщинам

Как женщины в регионах объединяются и сами помогают друг другу?

Forbes
10 способов испортить первое свидание 10 способов испортить первое свидание

Каких поступков и тем следует избегать при первом свидании?

Psychologies
«Начало всех пороков и венец всех добродетелей» «Начало всех пороков и венец всех добродетелей»

Как Аристотель, Малевич, Кафка и другие оправдывали лень

Weekend
Как выбрать спелую дыню и какой сорт самый сладкий Как выбрать спелую дыню и какой сорт самый сладкий

Разбираемся, как не запутаться в многообразии дынь и сделать правильный выбор

РБК
Ракушки помогут раскрыть загадку исчезновения малазийского «Боинга» Ракушки помогут раскрыть загадку исчезновения малазийского «Боинга»

Недавно ученый предложил оригинальный способ обнаружить место крушения самолета

ТехИнсайдер
Вместо магнитиков. Какие сувениры могут украсить интерьер? Вместо магнитиков. Какие сувениры могут украсить интерьер?

Как выбрать сувенир, чтобы он смог добавить индивидуальности интерьеру?

Лиза
Забыли вырезать: худшие ляпы в культовых фильмах — от «Гарри Поттера» до «Криминального чтива» Забыли вырезать: худшие ляпы в культовых фильмах — от «Гарри Поттера» до «Криминального чтива»

Рассказываем про дурацкие неточности в культовых фильмах

VOICE
Альтернатива совершившемуся Альтернатива совершившемуся

Как проект города коммунизма превратился в утопию уместности

Weekend
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
Технологии на полку: какие цифровые инструменты применяет ретейл, чтобы сдержать цены Технологии на полку: какие цифровые инструменты применяет ретейл, чтобы сдержать цены

Какие технологии помогают снижать затраты и сдерживать рост цен продуктов?

Forbes
Социолог нашел подтверждение теории бредовых работ Социолог нашел подтверждение теории бредовых работ

Обладатели этих профессий ощущают бесполезность своей работы

N+1
Давайте знакомиться Давайте знакомиться

7 причин, почему мужчины тебя не хотят

Лиза
Гигантская замочная скважина: как кровь моллюска способна вылечить рак, и почему она стоит 100 тысяч долларов? Гигантская замочная скважина: как кровь моллюска способна вылечить рак, и почему она стоит 100 тысяч долларов?

Ученым удалось найти лекарство от рака, которое течет по жилам моллюска

ТехИнсайдер
«Я всегда прихожу заранее»: как избавиться от этой привычки «Я всегда прихожу заранее»: как избавиться от этой привычки

Некоторые чувствуют себя обязанными всегда приходить заблаговременно

Psychologies
Москва и москвички Москва и москвички

«Жизнь по вызову. Док»: якобы исследование столичной секс-индустрии

Weekend
Все обсуждают смерть 14-летней звезды интернета Лил Тэй – кто еще из звездных блогеров умер молодым Все обсуждают смерть 14-летней звезды интернета Лил Тэй – кто еще из звездных блогеров умер молодым

Погоня за лайками могут оказать фатальное влияние на психологическое состояние

VOICE
«Ваш отец мне изменил»: надо ли рассказывать детям о реальной причине развода «Ваш отец мне изменил»: надо ли рассказывать детям о реальной причине развода

Причина развода — измена, но должны ли знать об этом ваши дети?

Psychologies
Я — сноб: главный архитектор Москвы Сергей Кузнецов Я — сноб: главный архитектор Москвы Сергей Кузнецов

Архитектор Сергей Кузнецов — о новых проектах и любви к автономии

СНОБ
Бокал за ужином не повредит: что такое высокофункциональный алкоголизм Бокал за ужином не повредит: что такое высокофункциональный алкоголизм

Что такое высокофункциональный алкоголизм и где его грань

Forbes
Игра во втором составе Игра во втором составе

Как отчиму завоевать доверие и не перегнуть палку?

Psychologies
Конец истории не состоялся Конец истории не состоялся

Как отрекся Фрэнсис Фукуяма от неолиберализма

Эксперт
Открыть в приложении