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

Сырые земли Сырые земли

Почему важно изучать водно-болотные угодья, или ветланды?

Наука и жизнь
Как уйти в отпуск без чувства вины: 5 простых шагов Как уйти в отпуск без чувства вины: 5 простых шагов

Что больше всего тревожит отпускных и что с этим можно сделать

Psychologies
Великая пустота Великая пустота

Монголия – наименее населенная страна мира

Вокруг света
Забыть Гинденбурга Забыть Гинденбурга

Беспилотные грузовые дирижабли как инструмент газификации

Эксперт
Политическое крещение Политическое крещение

Что побудило закоренелого язычника и развратника перейти в христианскую веру?

Дилетант
«Город дам»: как были устроены женские коммуны в средневековой Европе «Город дам»: как были устроены женские коммуны в средневековой Европе

Глава из книги «Архитектура без архитектора»

Forbes
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
«От вакансий руки опускаются»: как я полгода училась на тестировщика, а теперь не могу найти работу «От вакансий руки опускаются»: как я полгода училась на тестировщика, а теперь не могу найти работу

Легко ли сменить специальность?

VOICE
3:0 в вашу пользу 3:0 в вашу пользу

Славный путь от смутных 90-х до наших по-спортивному подтянутых дней

Men’s Health
Коварный алгоритм. Как искусственный интеллект управляет человеком Коварный алгоритм. Как искусственный интеллект управляет человеком

Как маркетологи и политтехнологи манипулируют нами при помощи алгоритмов

СНОБ
Без пчел Без пчел

Дроны уже готовятся заменить летающих созданий в садах и на плантациях

ТехИнсайдер
Рисунок дюн расскажет о геологической истории планет Солнечной системы Рисунок дюн расскажет о геологической истории планет Солнечной системы

Дюны помогут узнать больше о планетах Солнечной системы

ТехИнсайдер
Вон из России! Вон из России!

Осенью 1922-го от причалов отходили не только корабли с белогвардейцами

Дилетант
Повод для праздника: как в обществе меняется отношение к разводам Повод для праздника: как в обществе меняется отношение к разводам

Как менялось отношение к расторжению брака и как его воспринимают сейчас

Forbes
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
Новая смена. 5 российских женщин-режиссеров, на которых стоит обратить внимание Новая смена. 5 российских женщин-режиссеров, на которых стоит обратить внимание

О Марии Лойтер и еще четырех многообещающих женщинах-режиссерах

СНОБ
«Формула грез» «Формула грез»

Частое использование социальных сетей негативно влияет на психическое здоровье

N+1
«После «Карнавальной ночи» — борьба, война, выживание, терпение... Какое уж тут счастье!» — рассказывала Людмила Гурченко «После «Карнавальной ночи» — борьба, война, выживание, терпение... Какое уж тут счастье!» — рассказывала Людмила Гурченко

В этих статьях — живая, настоящая, реальная Гурченко, какой ее знали не все

Коллекция. Караван историй
«Он тебе не пара» «Он тебе не пара»

Что делать, если семья не одобряет твой выбор партнера

Лиза
Как отдохнуть на Сейшелах с детьми Как отдохнуть на Сейшелах с детьми

Как на Сейшелах «перезагрузиться» в отпуске всей семьей

СНОБ
Россия скорректирует пошлину на вывоз подешевевших удобрений: кто в выигрыше Россия скорректирует пошлину на вывоз подешевевших удобрений: кто в выигрыше

Правительство России готовится ввести временную пошлину на экспорт удобрений

Forbes
Корзины для яиц Корзины для яиц

Как Гарри Марковиц изобрел инвестиционный портфель

Деньги
Как сравнение с другими разрушает нас Как сравнение с другими разрушает нас

Ваш жизненный путь не похож на путь других, потому что этого не может быть

Psychologies
Снять сливы Снять сливы

Сочные, полные витаминов сливы – любовь кулинаров всего мира

Лиза
Я — сноб: продюсер Софья Митрофанова Я — сноб: продюсер Софья Митрофанова

Продюсер Софья Митрофанова рассказала о новых проектах

СНОБ
Стрельцы: преступление и наказание Стрельцы: преступление и наказание

Стрелецкий бунт 1698 года: «усердие в усмирении» достигало высот заоблачных

Дилетант
ВСМ Москва — Санкт-Петербург: пора воплотить мечту ВСМ Москва — Санкт-Петербург: пора воплотить мечту

Будет ли построена в России высокоскоростная железнодорожная магистраль?

Эксперт
Виктория Портфолио Виктория Портфолио

Виктория Портфолио — самый профессиональный инфлюенсер Петербурга

Собака.ru
Игра во втором составе Игра во втором составе

Как отчиму завоевать доверие и не перегнуть палку?

Psychologies
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
Открыть в приложении