Доказано существование «гравитационных вихрей» вокруг черных дыр

Орбитальная рентгеновская обсерватория Европейского космического агентства «XMM-Newton» доказала существование «гравитационного вихря» вокруг черной дыры. Открытие, также опирающееся на данные космической обсерватории NASA Nuclear Spectroscopic Telescope Array, решает загадку, которая ускользала от астрономов на протяжении 30 лет, и позволяет ученым определить поведение вещества рядом с черной дырой. Кроме этого новые данные открывают двери для будущих исследований общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

В процессе падения в черную дыру вещество разогревается до миллионов градусов. При такой высокой температуре оно испускает рентгеновские лучи в космос.

В 1980-е годы астрономы с помощью ранних телескопов обнаружили, что рентгеновские лучи, исходящие из звездных масс возле черных дыр в нашей Галактике, мерцают. Мерцание изменяется по шаблону. В начале вспышка, затем ослабление и вновь вспышка. В течение дней, недель, месяцев период сокращается, пока колебание не достигает 10 раз в секунду, а затем внезапно исчезает насовсем.

Явление получило название квазипериодическое колебание. «Это было сразу признано чем-то захватывающим, так как исходит из чего-то близкого к черной дыре», – сказал Адам Ингрем из университета Амстердама.

В 1990-е годы ученые начали подозревать, что квазипериодические колебания связаны с гравитационным эффектом, предсказанным общей теорией относительности Эйнштейна: вращающийся объект будет создавать своего рода гравитационный вихрь.

«Это похоже на закручивание ложки меда. Представьте себе, что мед является пространством, и все, что в нем содержится, будет закручиваться вокруг ложки. На самом деле это означает, что любая орбита вращающегося объекта будет изменять ориентацию относительно центра. В случае с наклонной орбитой объект будет «прецессировать». Время, которое необходимо, чтобы вернуться в исходное состояние, называется циклом прецессии», – пояснил Адам Ингрем.

В 2004 году NASA запустило космическую миссию «Gravity Probe B», чтобы измерить так называемый эффект Лензе-Тирринга вокруг Земли. После кропотливого анализа ученые установили, что космический аппарат завершит полный цикл прецессии за 33 миллиона лет.

Однако, вокруг черной дыры эффект будет гораздо более заметным из-за сильного гравитационного поля. Цикл прецессии займет считаные секунды или даже меньше. Это было так близко к квазипериодическим колебаниям, что ученые начали подозревать связь.

Художественное изображение аккреционного диска с прецессирующим внутренним регионом. Credits: ESA/ATG medialab

Адам Ингрем начал работать над вопросом, глядя на то, что происходит в плоском диске вещества, окружающем черную дыру. В месте, известном как аккреционный диск, материя постепенно движется по спирали внутрь «монстра». Ученые предположили, что близко к черной дыре плоский аккреционный диск раздувается в горячую плазму, в которой электроны удаляются из своих атомов. Поток, поглощаемый черной дырой, сжимается в размерах в течение нескольких недель и месяцев. Вместе с коллегами, Инграм в 2009 году опубликовал статью о том, что квазипериодические колебания управляются прецессией этого горячего потока. Это происходит потому, что внутренний поток уменьшается с приближением к черной дыре и поэтому его цикл прецессии становится быстрее. Вопрос заключается в том: как это доказать?

«Мы потратили много времени, пытаясь найти неопровержимые доказательства такого поведения», – сказал Ингрэм. Ответ заключается в том, что внутренний поток выпускает высокоэнергетическое излучение, которое поражает материю в диске, что заставляет сиять атомы железа, как люминесцентные трубки. «Утюг» выпускает рентгеновские лучи с одной длиной волны, что называется «спектральной линией».

Поскольку аккреционный диск вращается, то спектральная линия железа имеет свою длину волны, искаженную эффектом Доплера. Если внутренний поток действительно прецессирует, иногда он будет светить на приближающийся материал диска, а иногда на отступающий, делая линию раскачивающейся взад и вперед в течение цикла прецессии.

Раскачивание зафиксировал «XMM-Newton». Ингрэм и его коллеги провели длительное наблюдение, позволившее им неоднократно наблюдать квазипериодические колебания. Они выбрали черную дыру H 1743-322, которая на тот момент показывала четырехсекундные колебания. Астрономы наблюдали за ней в течение 260 000 секунд, используя «XMM-Newton», а также в течение 70 000 секунд с «NuStar», рентгеновской обсерваторией NASA. «NuSTAR» подтвердил качание линии железа и дополнительно увидел особенность в спектре, которая называется «отражательный горб», что добавило доказательств в пользу прецессии.

После тщательного анализа и объединения всех данных наблюдений, ученые определили, что линия железа покачивалась в соответствии с предсказаниями общей теории относительности. «Мы напрямую измерили движение материи в сильном гравитационном поле вблизи черной дыры!» – сказал Ингрэм.

Впервые эффект Лензе-Тирринга был измерен в сильном гравитационном поле. Метод позволит астрономам составить карту вещества во внутренних областях аккреционных дисков вокруг черных дыр. Он также намекает на новый мощный инструмент проверки общей теории относительности.

Теория Эйнштейна в значительной степени не проверена в настолько сильных гравитационных полях. Если астрономы смогут понять физику материи, стекающей в черную дыру, они смогут использовать ее для проверки предсказаний общей теории относительности. Это станет возможным только тогда, когда движение вещества в аккреционном диске будет полностью изучено.

Более крупные рентгеновские телескопы в будущем могли бы помочь в поиске, поскольку они смогут более эффективно собирать рентгеновские лучи. Это позволит астрономам более подробно исследовать явление квазипериодических колебаний, а на сегодняшний день им остается довольствоваться наблюдением гравитации вблизи черной дыры.