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

Во глубину сибирских руд Во глубину сибирских руд

По следам декабристов на каторгу в Сибирь

Вокруг света
Майк Омер: «Пламя одержимости». Отрывок из третьей книги цикла Майк Омер: «Пламя одержимости». Отрывок из третьей книги цикла

Отрывок из истории переговорщика Эбби Маллен, которая встречается с прошлым

СНОБ
ЧВК «Рюрик» ЧВК «Рюрик»

Около 838 года в поле зрения Византии попали люди, называвших себя русами

Дилетант
20-летний боец ММА лишился легкого: чем опасен вейпинг 20-летний боец ММА лишился легкого: чем опасен вейпинг

«Безопасная» альтернатива обычным сигаретам оказалась совсем небезопасной

Psychologies
Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Ясный взгляд Ясный взгляд

Избавляемся от мешков и темных кругов: 7 шагов

Лиза
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Как республиканец и кандидат на пост президента США Вивек Рамасвами стал миллиардером Как республиканец и кандидат на пост президента США Вивек Рамасвами стал миллиардером

В отличие от своего конкурента Вивек Рамасвами разбогател самостоятельно

Forbes
Непокорный хан Кучум Непокорный хан Кучум

Как победитель Ермака предпочел почетному плену смерть в изгнании

Вокруг света
Этими трюками пользуются все звездные стилисты: 5 секретов идеальных образов на каждый день Этими трюками пользуются все звездные стилисты: 5 секретов идеальных образов на каждый день

Давай научимся внедрять в образы эффектные детали

VOICE
Новый взгляд на природу художественного мышления Новый взгляд на природу художественного мышления

Возможно ли, чтобы человек утратил интерес к загадке своего мышления?

Наука и жизнь
«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
Икс таинственный, великий Икс таинственный, великий

Как икс стал символом неизвестного?

Наука и жизнь
Напуганные долларом: кто взвинтил спрос на московские новостройки Напуганные долларом: кто взвинтил спрос на московские новостройки

Продажи в новостройках Москва сильно выросли и в сравнении с прошлым годом

Forbes
«Спросите горожан: тротуар или линейный парк?» «Спросите горожан: тротуар или линейный парк?»

Как не зависеть от смены сезонов в городе и оживить его улицы?

Эксперт
Выходы к морю Выходы к морю

Дефицита в терминалах для отгрузок зерна на внешние рынки нет

Агроинвестор
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
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
«Голубые» облигации: что это и как с их помощью спасают мировой океан «Голубые» облигации: что это и как с их помощью спасают мировой океан

Остановить уничтожение морской флоры и фауны призваны «голубые» облигации

Forbes
Бесполезные анализы Бесполезные анализы

Есть ли польза от этих анализов или их назначают только, чтобы вытянуть деньги?

Лиза
От «Советского шампанского» до сырка «Дружба»: как появились популярные гастрономические бренды СССР От «Советского шампанского» до сырка «Дружба»: как появились популярные гастрономические бренды СССР

Легендарные продукты, вкус которых до сих пор вызывает ностальгию

Maxim
2 эффективных способа защитить свои личные границы 2 эффективных способа защитить свои личные границы

Как сохранить уважение друг к другу и при этом не наступать на горло самому cебе

Psychologies
Конец истории не состоялся Конец истории не состоялся

Как отрекся Фрэнсис Фукуяма от неолиберализма

Эксперт
На всем зеленом. Честные плюсы и минусы вегетарианства На всем зеленом. Честные плюсы и минусы вегетарианства

Все про вегетарианство, за и против, все его типы и прочие интересные детали

Лиза
«Отказаться от роли эксперта по жизни другого человека»: почему психолог не должен командовать и наставлять «Отказаться от роли эксперта по жизни другого человека»: почему психолог не должен командовать и наставлять

Как психологи помогают своим клиентам раскрывать потенциал к саморазвитию

Psychologies
«Мы стремимся сделать „Манжерок“ одним из лучших курортов в мире» «Мы стремимся сделать „Манжерок“ одним из лучших курортов в мире»

Какие перспективы развития появились у курорта «Манжерок»

Деньги
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
Пираты, комиксы и звездные войны: самые дорогие фильмы всех времен Пираты, комиксы и звездные войны: самые дорогие фильмы всех времен

Десятка самых дорогих когда-либо существовавших фильмов — в нашем материале

Forbes
Как понять, что волосы сухие и ломкие из-за жесткой воды, и что делать: советы эксперта Как понять, что волосы сухие и ломкие из-за жесткой воды, и что делать: советы эксперта

Почему ты ухаживаешь за волосами, а они все равно остаются сухими и тусклыми?

VOICE
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
Открыть в приложении