«Представьте себе то место, где река превращается в водопад. До сих пор мы смотрели на реку. А вот водопад мы видим впервые».
Учёные впервые подтвердили, что сама ткань пространства-времени совершает «финальное погружение» на краю чёрной дыры
Наблюдение этой погружающейся области вокруг чёрных дыр было сделано астрофизиками из физического факультета Оксфордского университета и помогает подтвердить ключевое предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна от 1915 года.
Оксфордская команда сделала открытие, изучая области вокруг чёрных дыр звёздной массы в двойных звёздах-компаньонах, расположенных относительно близко к Земле. Исследователи использовали рентгеновские данные, собранные с помощью ряда космических телескопов, включая Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) НАСА и установленный на Международной космической станции аппарат Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).
Эти данные позволили им определить судьбу горячего ионизированного газа и плазмы, вырвавшихся из звезды-компаньона, которая в конце концов погружается на самый край связанной с ней чёрной дыры. Результаты исследования показали, что эти так называемые «погружающиеся» области вокруг чёрной дыры являются местами самых сильных гравитационных воздействий, когда-либо наблюдавшихся в нашей галактике Млечный Путь.
«Это первый взгляд на то, как плазма, отслоившаяся от внешнего края звезды, подвергается окончательному падению в центр чёрной дыры — процесс, происходящий в системе, находящейся на расстоянии около 10 000 световых лет от нас», — сказал в своём заявлении руководитель группы и учёный-физик Оксфордского университета Эндрю Маммери. «Теория Эйнштейна предсказывала существование этого финального падения, но мы впервые смогли продемонстрировать, как это происходит».
«Представьте себе то место, где река превращается в водопад. До сих пор мы смотрели на реку. А вот водопад мы видим впервые».
Откуда берутся чёрные дыры?
Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что массивные объекты вызывают искривление самой ткани пространства и времени, объединённых в единое четырёхмерное целое под названием «пространство-время». Гравитация возникает из-за возникающей кривизны пространства-времени.
Хотя общая теория относительности работает в четырёхмерном пространстве, её можно примерно проиллюстрировать с помощью грубой двумерной аналогии. Представьте, что мы кладём на натянутую резиновую простыню шары со всё увеличивающейся массой. Мяч для гольфа вызовет крошечную, почти незаметную вмятину; мяч для крикета приведёт к большей вмятине; а шар для боулинга — к огромной вмятине. Аналогичным образом спутники, планеты и звезды оставляют «вмятины» в четырёхмерном пространстве-времени. С увеличением массы объекта увеличивается и вызываемое им искривление, а значит, возрастает и его гравитационное влияние. Чёрная дыра была бы похожа на пушечное ядро на аналогичном резиновом листе.
При массе, эквивалентной десяткам или даже сотням солнц, сжатых в ширину примерно до размеров Земли, кривизна пространства-времени и гравитационное влияние чёрных дыр звёздной массы могут стать совершенно экстремальными. Сверхмассивные чёрные дыры, с другой стороны, — это совсем другая история. Они обладают огромной массой, эквивалентной миллионам или даже миллиардам солнц, и превосходят даже свои аналоги со звёздной массой.
Возвращаясь к общей теории относительности, Эйнштейн предположил, что эта кривизна пространства-времени приводит к другим интересным физическим явлениям. Например, он сказал, что за границей чёрной дыры должна быть точка, в которой частицы не смогут двигаться по круговой или стабильной орбите. Вместо этого материя, попавшая в эту область, будет устремляться к чёрной дыре со скоростью, близкой к световой.
Понимание физики материи в этой гипотетической области погружения чёрной дыры в течение продолжительного времени было целью астрофизиков. Чтобы решить эту задачу, оксфордская команда изучила, что происходит, когда чёрные дыры существуют в бинарной системе с «обычной» звездой.
Если они находятся достаточно близко друг к другу или если эта звезда немного раздута, гравитационное воздействие чёрной дыры может увлечь за собой звёздное вещество. Поскольку эта плазма обладает угловым моментом, она не может упасть прямо на чёрную дыру — вместо этого она образует сплюснутое вращающееся облако вокруг чёрной дыры, называемое аккреционным диском.
Из этого аккреционного диска материя постепенно поступает в чёрную дыру. Согласно моделям питания чёрных дыр, должна существовать точка, называемая самой внутренней стабильной круговой орбитой (ISCO) — последняя точка, в которой материя может стабильно вращаться в аккреционном диске. Любая материя за пределами этой точки находится в «области погружения», и она начинает свой неизбежный спуск в пасть чёрной дыры. Споры о том, можно ли вообще обнаружить эту область погружения, были разрешены, когда оксфордская команда обнаружила выбросы, выходящие за пределы ISCO аккреционных дисков вокруг двойника чёрной дыры Млечного Пути под названием MAXI J1820+070.
Расположенная на расстоянии около 10 000 световых лет от Земли и имеющая массу около восьми солнечных, чёрная дыра MAXI J1820+070 вытягивает материал из своего звёздного компаньона, выбрасывая двойные джеты со скоростью около 80% от скорости света.
Команда обнаружила, что в рентгеновском спектре MAXI J1820+070 наблюдается «мягкая» вспышка, которая представляет собой излучение от аккреционного диска, окружающего вращающуюся, или Керровскую чёрную дыру — полный аккреционный диск, включая погружающуюся область.
По словам исследователей, этот сценарий представляет собой первое надёжное обнаружение излучения из погружающейся области на внутреннем краю аккреционного диска чёрной дыры; они называют такие сигналы «in-ISCO выбросами». Эти in-ISCO выбросы подтверждают общую теорию относительности в описании областей, находящихся непосредственно вокруг чёрных дыр.
В продолжение этого исследования отдельная группа с физического факультета Оксфорда сотрудничает с европейской инициативой по созданию Африканского миллиметрового телескопа. Этот телескоп должен расширить возможности учёных по получению прямых изображений чёрных дыр и позволит исследовать погружающиеся области более удалённых чёрных дыр.
«Что действительно интересно, так это то, что в галактике существует множество чёрных дыр, и теперь у нас есть новая мощная методика их использования для изучения самых сильных из известных гравитационных полей», — заключил Маммери.
Исследование команды опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
