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

«Gaia»: новый взгляд на небо «Gaia»: новый взгляд на небо

Что телескоп «Gaia» позволил узнать о нашей Галактике?

Наука и жизнь
Вы будете смеяться, когда узнаете интимные подробности выражения Вы будете смеяться, когда узнаете интимные подробности выражения

Почему именно песок сочится из старческих щелей?

ТехИнсайдер
Откуда взошла Луна Откуда взошла Луна

Астрономы давно ломают голову над происхождением Луны

Вокруг света
Максим Аверин: «В момент, когда у меня был успех, я погибал» Максим Аверин: «В момент, когда у меня был успех, я погибал»

Большое интервью с Максимом Авериным

Караван историй
Где рождается свет Где рождается свет

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

Вокруг света
Спиленные деревья стали дешевой заменой вымершим коралловым рифам Спиленные деревья стали дешевой заменой вымершим коралловым рифам

Ученые придумали куда более простой выход из ситуации с вымиранием рифов

ТехИнсайдер
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Архетип Кена: что можно узнать о мужской психологии из фильма «Барби» Архетип Кена: что можно узнать о мужской психологии из фильма «Барби»

То, каким его показали, многое говорит о психологии реальных Кенов — мужчин

Psychologies
Издать любой ценой Издать любой ценой

У разных исторических периодов – свои «главные» энциклопедии

Вокруг света
Что умеет нейросеть «Сбера» GigaChat Что умеет нейросеть «Сбера» GigaChat

«Сбер» запустил свой аналог ChatGPT — нейросеть GigaChat. Что она умеет?

СНОБ
Папоротники в садовом дизайне Папоротники в садовом дизайне

Папоротники способны играть главные роли в украшении сада

Наука и жизнь
Вовлеченность отцов в воспитание связали со сниженным риском задержки нервно-психического развития у детей Вовлеченность отцов в воспитание связали со сниженным риском задержки нервно-психического развития у детей

В вовлеченность отцов в воспитание снизила риск задержки развития детей

N+1
100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

Сто самых красивых женщин страны заждались тебя

Maxim
Как испортить отношения: 4 вредных совета Как испортить отношения: 4 вредных совета

Если вы не заинтересованы в сохранении отношений, для вас есть несколько правил

Psychologies
Как организовать процесс развода, чтобы сохранить психологическое здоровье детей? Как организовать процесс развода, чтобы сохранить психологическое здоровье детей?

Как помочь ребенку пережить развод и смягчить нагрузку на психику

VOICE
Тогда и сейчас: что стало с актерами фильма «Мост в Терабитию» 16 лет спустя Тогда и сейчас: что стало с актерами фильма «Мост в Терабитию» 16 лет спустя

Интересно посмотреть, как актеры «Моста в Терабитию» выглядят сейчас?

VOICE
Клин с клином Клин с клином

Клинопись – древнейшая известная человечеству система письма

Вокруг света
Личинки ос повредили сердца тараканам при первой возможности Личинки ос повредили сердца тараканам при первой возможности

Личинки ос съедают трахеи и сердца тараканов

N+1
На острие безвкусицы. О фильме «Только ты и я» с Вирджини Эфирой На острие безвкусицы. О фильме «Только ты и я» с Вирджини Эфирой

Как Донзелли удалось снять чуткое кино на громкую тему домашнего насилия

СНОБ
ООН: внедрение ИИ создаст больше рабочих мест для людей, чем ИИ займет ООН: внедрение ИИ создаст больше рабочих мест для людей, чем ИИ займет

Искусственный интеллект будет способствовать расширению рабочих мест

ТехИнсайдер
Робот на присосках поможет слабовидящим купить напиток в автомате Робот на присосках поможет слабовидящим купить напиток в автомате

Это устройство поможет слабовидящим взаимодействовать с сенсорными экранами

N+1
Выбор принцессы: солнцезащитные очки, как у принцессы Дианы - 8 стильных моделей Выбор принцессы: солнцезащитные очки, как у принцессы Дианы - 8 стильных моделей

Хочешь выглядеть, как королевская особа – учись у настоящей принцессы

VOICE
В райском саду В райском саду

Дизайнер оформила эту московскую квартиру в стиле современной классики

SALON-Interior
Не до улыбки Не до улыбки

5 причин боли в лице от безобидных до крайне опасных

Лиза
Что такое сексуальная отзывчивость и как она влияет на интимную жизнь Что такое сексуальная отзывчивость и как она влияет на интимную жизнь

Чем больше партнеры думают друг о друге во время секса, тем он лучше

Maxim
Красная львица Красная львица

Убранству 80-метровой Leona позавидуют иные дворцы шейхов

Y Magazine
То ли раб, то ли жена: лингвисты до сих пор сомневаются, откуда на самом деле произошло слово То ли раб, то ли жена: лингвисты до сих пор сомневаются, откуда на самом деле произошло слово

Откуда же на самом деле произошло это простое, на первый взгляд, слово «семья»?

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

Культовые фильмы, которые были выпущены в один день

Правила жизни
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
Что важно сегодня знать о Луне и «Луне-25» Что важно сегодня знать о Луне и «Луне-25»

Почему миссия «Луны-25» так важна

Maxim
Открыть в приложении