Пожалуй, главной отличительной чертой чёрной дыры служит её горизонт событий – но это только с точки зрения непрофессионала. Действительно, у всех чёрных дыр есть горизонт событий, но более важной характеристикой с точки зрения астрономов будет диск из горячего газа и пыли, окружающий чёрную дыру – т.н. аккреционный диск. Недавно группа астрономов провела первое прямое измерение характеристик такого диска.
Согласно Ньютону, если толкнуть предмет, находившийся в состояния покоя, в сторону планеты или звезды, то он будет падать к её центру, следуя по прямолинейной траектории до тех пор, пока не ударится о планету или звезду. Эйнштейн утверждает несколько иное. Прямым путь будет только в том случае, если планета или звезда не вращается. Если же она вращается, то пространство вблизи планеты или звезды искривляется. Этот эффект известен как «увлечение инерциальных систем отсчёта», и он означает, что вращающееся небесное тело будет затягивать наш предмет в сторону своего вращения, отклоняя его траекторию от прямой линии. Мы измеряли эффект увлечения на примере околоземных спутников, поэтому мы знаем, что он вполне реален.
Вблизи быстро вращающихся чёрных дыр увлечение инерциальных систем отсчёта может быть очень сильным. Это означает, что когда газ и пыль начинают падать в сторону чёрной дыры, они смещаются, и образуют диск в экваториальной плоскости чёрной дыры. При этом газ и пыль перегреваются, что приводит к возникновению огромного давления. Аккреционный диск может генерировать сильные магнитные поля, излучать мощное рентгеновское излучение и даже приводить в движение струи газа, которые устремляются прочь от чёрной дыры почти со скоростью света. Большинство чёрных дыр, обнаруженных нами во Вселенной, были замечены благодаря высокоэнергетическим эффектам их аккреционных дисков. Однако физика аккреционных дисков чёрных дыр сложна, и мы ещё не до конца понимаем их динамику и даже не можем точно определить их размеры.
У нас есть базовая оценка размеров аккреционных дисков. Одна из особенностей квазаров, которую мы заметили, заключается в том, что их яркость может колебаться. Квазары - это сверхмассивные чёрные дыры с ярким в радиодиапазоне аккреционным диском. Учитывая конечную скорость света, скорость флуктуаций даёт нам верхнюю границу на размер аккреционного диска. Так, например, если колебания квазара происходят не чаще раза в год, то мы знаем, что аккреционный диск не может быть больше примерно светового года в поперечнике. Наиболее точно измеренный флуктуирующий квазар - 3C 273, и мы знаем, что его аккреционный диск имеет размер около 1,5 световых лет, или около 100 000 а.е.
Но это лишь верхняя граница, и аккреционный диск может быть меньше. Не имея прямых измерений аккреционного диска, мы полагаемся на компьютерное моделирование для оценки его размеров. Однако в недавней работе было проведено прямое измерение аккреционного диска сверхмассивной чёрной дыры, что позволило нам сделать шаг вперёд в понимании чёрных дыр.
Двухпиковые спектры эмиссионной линии кислорода
Для достижения этой цели команда использовала другой подход. Вместо того чтобы использовать флуктуации яркости, учёные измерили эмиссионные линии сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики, известной как III Zw 002. С помощью телескопа Gemini North им удалось изучить особенно яркую эмиссионную линию водорода и линию кислорода. В обоих спектрах наблюдается двойной пик. Этот двойной пик обусловлен вращением аккреционного диска. При вращении диска свет от его части, вращающейся в нашу сторону, смещается в сторону синего спектра, а свет от части диска, вращающейся от нас, краснеет. Этот эффект наиболее заметён на внешних краях диска, что и обусловливает появление двойного пика.
На основании этих спектральных данных специалисты определили, что чёрная дыра имеет массу около 400 - 900 млн солнечных, а её ось вращения наклонена на 18° относительно нашей линии визирования. Пик водородной линии находится на расстоянии около 16,8 световых дней от чёрной дыры, а пик кислородной линии - на расстоянии около 18,9 световых дней от чёрной дыры. Это означает, что аккреционный диск имеет размер около 40 световых дней в поперечнике.
Полученный результат - это только первый шаг. Команда продолжает наблюдения за III Zw 002 и надеется, что сможет изучить, как аккреционный диск прецессирует вокруг чёрной дыры, что расскажет нам о динамике их взаимодействия.
Источник новости: habr.com
