"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 уг��овым 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 враща��щуюся, 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.
