Компьютерная симуляция вращения сверхмассивной черной дыры в M87.
Изображение Avery E. Broderick, University of Waterloo/Perimeter Institute

_ Международная группа учёных под руководством Шепарда С. Доэлмана из Обсерватории Хэйстак Массачусетского технологического института ( США) измерила диаметр аккреционного диска вокруг чёрной дыры в центре гигантской эллиптической галактики М87. Сделано это было посредством объединения ряда радиотелескопов в один интерферометр со сверхдлинной базой, названный Event Horizon Telescope ( «Телескоп горизонта событий» ).

Цель Event Horizon Telescope, состоящего из четырёх обычных радиотелескопов, расположенных в различных уголках мира, — выявление горизонта событий чёрных дыр при помощи отслеживания окрестностей сверхмассивных чёрных дыр в центре галактик с активными ядрами ( АЯ ).

Рекордно четкое изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 позволило измерить основание её джета. Работа опубликована в журнале Science, а ее краткое описание можно прочитать на сайтах Массачусетского технологического института, NatureNews и ScienceNow.

Исследование проводилось с помощью четырех радиотелескопов, расположенных в Калифорнии, Аризоне и на Гавайях. В ходе работы они были фактически объединены в единый прибор - интерферометр со сверхдлинным базисом. Благодаря тщательной настройке радиотелескопов, ученым удалось рассмотреть близкие окрестности черной дыры с беспрецедентной точностью.

Авторы установили, что диаметр основания джета ( струи разогретого газа, выбрасываемого с около-световыми скоростями из аккреционного диска ) всего в 5,5 раза превышает диаметр горизонта событий самой дыры - той поверхности, попав на которую, вещество уже не может вернуться обратно. Уравнения Эйнштейна говорят о том, что для стационарной (не вращающейся) черной дыры этот радиус не может быть меньше 7,35 диаметра. Следовательно, считают астрономы, дыра довольно сильно вращается, причем направление вращения совпадает с аккреционным диском.

Сверхмассивная черная дыра, привлекшая внимание исследователей, расположена неподалеку от центра галактики M87. Ее масса составляет около шести миллиардов масс Солнца, а ее джет является одним из
самых ярких подобных объектов.

Примерно 10% всех активных ядер галактик демонстрирует релятивистские джеты, порождаемые аккрецией материи на располагающуюся в центре галактик с АЯ сверхмассивную чёрную дыру. Хотя считается, что рождение таких джетов в целом совпадает с теоретической картиной взаимодействия аккреционного диска и чёрной дыры, конкретные детали такого взаимодействия и появления джетов пока неясны.

В данном случае наблюдение велось за галактикой М 87, находящейся в 50 млн световых лет от Млечного Пути. Сильное излучение в диапазоне 1,3 мм исходит непосредственно из окрестностей находящейся в центре М87 сверхмассивной ( свыше шести миллиардов масс Солнца ) чёрной дыры. Используя радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами ( РСДБ ), учёные смогли наблюдать свечение материи, находящейся у края горизонта событий — области вокруг ЧД, из которой не может выбраться даже свет.

«Когда объект проваливается через горизонт событий, он пропадает навсегда, - поясняет Шепард Доэлман.
- Это очевидно дверь лишь в один конец - из нашей Вселенной. Если вы входите внутрь ЧД, то уже не возвращаетесь назад - в наш мир».

_ При помощи РСДБ впервые удалось точно измерить сам аккреционный диск и установить, что он всего
в 5,5 раза больше радиуса горизонта событий. Исходя из этого, учёные предполагают, что направление вращения аккреционного диска и самой чёрной дыры совпадает.
Объясняется этот вывод просто. Если бы аккреционный диск, двигающийся со скоростью, сравнимой со световой, вращался в направлении, противоположном вращению ЧД, это потребовало бы от него значительно большего количества энергии, чем он может иметь по самым оптимистичным расчётам. Чем ближе аккреционный диск к горизонту событий, тем больше энергия, требуемая для вращения — а значит, расстояние в 5,5 радиуса горизонта событий исключает вращение в направлении, противоположном ЧД. Минимально возможное расстояние для диска, вращающегося в направлении, обратном вращению самой ЧД, составляет 9 радиусов горизонта событий, то есть значительно больше наблюдаемого.

 

Эргосфера ( здесь выделена синим ) является той самой зоной, где надо «бежать, чтобы
оставаться на месте». Если джет порождён механизмом Пенроуза, то он исходит
именно оттуда.
( Иллюстрация Matthew Francis / Ars Tecnica. )

 

Почему направление вращения аккреционного диска вообще важно? Сегодня есть две основные теории, объясняющие возникновение и характеристики релятивистских джетов. Энергия последних столь велика, что позволяет создавать струи плазмы над и под галактическими дисками протяжённостью до сотен тысяч световых лет — то есть в несколько раз больше диаметра исходных галактик. Она должна откуда-то браться.

И вот здесь, в научном мире нет согласия. Гипотеза, исходящая из процесса Блэндфорда — Знаека, утверждает, что джет может формироваться либо в окрестностях вращающейся чёрной дыры, окружённой аккреционным диском с магнитным полем ( при этом извлекается энергия вращения чёрной дыры ), либо при магнитогидродинамическом истечении вещества из внутренних частей аккреционного диска. Такой механизм аналогичен вращению проводящей сферы в магнитном поле, то есть однополярному индуктору.

У «конкурирующего» механизма Пенроуза иная природа. Он затрагивает эргосферу, область между пределом статичности ( где ЧД ещё не затягивает в себя окрестные объекты ) и горизонтом событий, окружающими вращающуюся чёрную дыру. Внутри эргосферы невозможно находиться в состоянии покоя, но туда можно попасть и снова выбраться оттуда, не покидая нашей Вселенной. По механизму Пенроуза, тела, падающие во вращающуюся чёрную дыру, распадаются в эргосфере на две части. Одна часть падает за горизонт событий (и машет ручкой Вселенной), а другая вылетает обратно во Вселенную, причём вторая часть будет про массе меньше, чем первоначальное тело, а вот его энергия в ряде случаев может оказаться больше первоначальной: ЧД ускорит выброшенное вещество «за свой счёт» ( энергетический ), замедлив собственное вращение.

Два вышеописанных механизма, «противостоянию» которых скоро исполнится полвека, предполагают совершенно разное объяснение появления джетов, а вопрос о направлении вращения аккреционного диска относительно ЧД способен помочь прояснению того, какой из них ближе к истине.

 

ccылки:
- science.compulenta.ru/711062
- lenta.ru/news/2012/09/28/m87

- sciencemag.org/content/early/2012/09/26/science.1224768
- web.mit.edu/newsoffice/2012/measuring-a-black-holes-event-horizon-0927