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

Где рождается свет Где рождается свет

Что такое Солнце? Газовый шар плотнее воды, мощнейший термоядерный реактор

Вокруг света
Женщина в пути: как путешествия стали дорогой к эмпауэрменту Женщина в пути: как путешествия стали дорогой к эмпауэрменту

Как гендерное равенство меняет тревел-индустрию?

Forbes
Разорвавшие шаблон Разорвавшие шаблон

Идеи этих ученых настолько опережали эпоху, что современники считали их чушью

Вокруг света
«Побочный эффект: Смерть»: история опиоидной эпидемии в США 90-х «Побочный эффект: Смерть»: история опиоидной эпидемии в США 90-х

Каким получился сериал «Побочный эффект: Смерть»

Forbes
Великая пустота Великая пустота

Монголия – наименее населенная страна мира

Вокруг света
Театр одного Муссолини Театр одного Муссолини

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

Дилетант
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Нейробиологи нашли механизм мозга, управляющий концентрацией внимания Нейробиологи нашли механизм мозга, управляющий концентрацией внимания

Основную роль в концентрации внимания играет скоординированная активность

ТехИнсайдер
Антифашисты в немецких мундирах Антифашисты в немецких мундирах

Заговор против Гитлера окончился двойной неудачей

Дилетант
«Я падала в обморок, когда весила 45 кг»: Алена Шишкова призналась, что страдала от булимии и анорексии «Я падала в обморок, когда весила 45 кг»: Алена Шишкова призналась, что страдала от булимии и анорексии

Модель Алена Шишкова впервые откровенно рассказала о проблемах со здоровьем

VOICE
Гены древних людей Гены древних людей

Биолог Сванте Паабо создал отдельную научную дисциплину — палеогеномику

Наука и жизнь
Lapina: «Хейт — это очень весело» Lapina: «Хейт — это очень весело»

Lapina — яркий музыкальный проект Татьяны Лапиной

ЖАРА Magazine
Мacштaб Мacштaб

Масштабы Крайнего Севера, британского парламента и микросхем

Цифровой океан
От тьмы — к звездам: 11 полнометражных фильмов Кристофера Нолана от худшего к лучшему От тьмы — к звездам: 11 полнометражных фильмов Кристофера Нолана от худшего к лучшему

Нелинейное повествование — основа метода Кристофера Нолана. 11 его фильмов

Правила жизни
Беспорядочный порядок Беспорядочный порядок

Россией правил не император, а столоначальники

Дилетант
Смотри оба: исторические примеры «Барбигеймера» в кино Смотри оба: исторические примеры «Барбигеймера» в кино

Культовые фильмы, которые были выпущены в один день

Правила жизни
Системный подход к импортозамещению Системный подход к импортозамещению

Анализ, оценка и систематизация помогут локализовать производства

Эксперт
Cимвол изобилия Cимвол изобилия

Для армян сладкий плов хапама – символ единства, плодородия и процветания

Вокруг света
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
Четыре секрета Google Chrome, о которых вы не знали Четыре секрета Google Chrome, о которых вы не знали

О многих функциях Chrome вы могли даже не подозревать

ТехИнсайдер
Афродизиаки: что это такое и как они работают Афродизиаки: что это такое и как они работают

Действительно ли определенные продукты и запахи усиливают сексуальное влечение?

РБК
Мои проекты в Сочи Мои проекты в Сочи

Оставить WRF и уехать в казино в Сочи? Это было совершенно исключено

Bones
5 советских игрушек, которые были только в зажиточных семьях 5 советских игрушек, которые были только в зажиточных семьях

Рассказываем, какими были модные дорогие игрушки в СССР

Psychologies
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
Гетеротрофные бактерии запомнили цикличность смены дня и ночи Гетеротрофные бактерии запомнили цикличность смены дня и ночи

Почвенные бактерии способны хранить информацию о смене дня и ночи

N+1
«Мой автомобиль — это продолжение меня» «Мой автомобиль — это продолжение меня»

Главные помощники Полины Гагариной — это тайм-менеджмент и автомобиль

OK!
Сплетни или правдивые слухи: 5 неожиданных исторических фактов из гущи событий Российской империи Сплетни или правдивые слухи: 5 неожиданных исторических фактов из гущи событий Российской империи

Российская империя с XVIII и до начала XX века была полна слухов

ТехИнсайдер
Биполярное судно: Россия строит самый большой и  многофункциональный ледокол Биполярное судно: Россия строит самый большой и  многофункциональный ледокол

Россия приступила к строительству научно-экспедиционного судна «Иван Фролов»

ТехИнсайдер
Возможно ли предсказать вооруженные конфликты? Вот как ученые работают над этим Возможно ли предсказать вооруженные конфликты? Вот как ученые работают над этим

Статистическая модель способна выявить связи между конфликтами в Африке

ТехИнсайдер
Полтора ребенка – разве такое возможно? Невероятная история близнецов Джона и Роберта Экхарт Полтора ребенка – разве такое возможно? Невероятная история близнецов Джона и Роберта Экхарт

Отсутствие нижних конечностей не помешало Джону Экхарту реализоваться в жизни

ТехИнсайдер
Открыть в приложении