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

БИНТИ БИНТИ

Как поэзия рассказывает о вымерших видах, а деревья — о солнечных затмениях

Наука и жизнь
Принцесса моря Принцесса моря

Princess S80: новая моторная яхта со спортивным флайбриджем

Y Magazine
Раскодировать инфекцию Раскодировать инфекцию

Программа для сложных клинических случаев

Санкт-Петербургский университет
«Заступайтесь за детей даже перед родственниками»: как защитить ребенка и не поссориться «Заступайтесь за детей даже перед родственниками»: как защитить ребенка и не поссориться

Как защищать детей перед родственниками, чтобы не поссориться с ними

Psychologies
Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу» Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу»

Вдруг все мои достижения, все мои роли — это лишь случайность?

Коллекция. Караван историй
Наше место во Вселенной: что таит в себе космос и где именно находится Земля Наше место во Вселенной: что таит в себе космос и где именно находится Земля

Чтобы найти свою планету во Вселенной, нужно знать точный адрес. Записывайте

ТехИнсайдер
История PQ-17. Отрывок из книги «Корабли-призраки. Подвиг и трагедия арктических конвоев Второй мировой» История PQ-17. Отрывок из книги «Корабли-призраки. Подвиг и трагедия арктических конвоев Второй мировой»

Отрывок из книги о печально известном арктическом конвое PQ-17

СНОБ
«Почему ты такая худая»: что такое скинни-шейминг и как он влияет на женщин «Почему ты такая худая»: что такое скинни-шейминг и как он влияет на женщин

Худые люди тоже сталкиваются с буллингом — из-за «недостаточного веса»

Forbes
«Как кошка с собакой»: как заставить питомцев подружиться «Как кошка с собакой»: как заставить питомцев подружиться

Как заставить питомцев ужиться на одной территории и даже поладить друг с другом

ТехИнсайдер
Крис Рок и сольный дебют Мэй Мартин: шесть новых отличных стендапов 2023 года Крис Рок и сольный дебют Мэй Мартин: шесть новых отличных стендапов 2023 года

Шесть смешных и честных стендапов, вышедших в этом году

Forbes
Генная терапия помогает при алкоголизме. Пока нечеловеческим приматам Генная терапия помогает при алкоголизме. Пока нечеловеческим приматам

Генная терапия может стать устойчивым методом лечения пациентов с алкоголизмом

ТехИнсайдер
Игрушка, над которой гении ломали головы: кто и как изобрел знаменитый кубик Рубика Игрушка, над которой гении ломали головы: кто и как изобрел знаменитый кубик Рубика

Труднейшая головоломка XX века появилась соверешенно случайно

ТехИнсайдер
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
У людей с ожирением оказался увеличен гипоталамус У людей с ожирением оказался увеличен гипоталамус

У людей с избыточным весом общий объем гипоталамуса значительно больше

N+1
Директор ПМЭФ Алексей Вальков: Конгрессная отрасль — эффективный механизм делового взаимодействия Директор ПМЭФ Алексей Вальков: Конгрессная отрасль — эффективный механизм делового взаимодействия

Как проходила подготовка к последнему форуму и какие планы строит директор ПМЭФ

СНОБ
Что ждет мир после ядерной войны: какими будут реальные последствия атомной бомбардировки Что ждет мир после ядерной войны: какими будут реальные последствия атомной бомбардировки

Каким будет мир, покрытый радиоактивными осадками?

ТехИнсайдер
Грызите семечки! Грызите семечки!

В чем польза тыквенных семечек для организма

Лиза
Безобидный нарциссизм: как использовать эту часть личности во благо Безобидный нарциссизм: как использовать эту часть личности во благо

Объясняем, почему нарциссизм — это не так плохо, как многие представляют

Psychologies
Семь вещей, которые поймут только те, кто был на советских курортах Семь вещей, которые поймут только те, кто был на советских курортах

Вспоминаем нюансы отечественных курортов

Maxim
Москва и Киев. Первая неделя войны Москва и Киев. Первая неделя войны

В первые дни ВОВ Совнарком СССР озаботился вопросом состояния торговли

Дилетант
Как сделать ремонт и не сойти с ума: 6 полезных правил Как сделать ремонт и не сойти с ума: 6 полезных правил

Как же сделать ремонт так, чтобы все прошло быстро и без нервов

VOICE
10 причин посмотреть «Криминальный город: Разборки в Пусане» 10 причин посмотреть «Криминальный город: Разборки в Пусане»

Насколько на самом деле крут фильм «Криминальный город: Разборки в Пусане»

Maxim
«Без обид»: как новый фильм с Дженнифер Лоуренс меняет восприятие женского тела «Без обид»: как новый фильм с Дженнифер Лоуренс меняет восприятие женского тела

В фильме «Без обид» Дженнифер Лоуренс демонстрирует все грани своего таланта

Forbes
Like A Virgin: культовые образы Мадонны Like A Virgin: культовые образы Мадонны

Самые узнаваемые образы Мадонны, которые мода уже вряд ли забудет

Правила жизни
«Цезарь идёт!» «Цезарь идёт!»

«Alea iacta est» — то ли сказал, то ли не сказал Цезарь, когда переходил Рубикон

Дилетант
Смерть любимого, потеря ребенка, вражда с Дарьей Мороз: сложная жизнь Виктории Исаковой Смерть любимого, потеря ребенка, вражда с Дарьей Мороз: сложная жизнь Виктории Исаковой

В жизни Виктории Исаковой были свои трагедии

VOICE
«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
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
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
«Аквариум: Геометрия хаоса». Отрывок из книги Александра Кушнира «Аквариум: Геометрия хаоса». Отрывок из книги Александра Кушнира

Глава из новой книги «Аквариум: Геометрия хаоса» продюсера Александра Кушнира

СНОБ
Открыть в приложении