Вращающиеся черные дыры [Veritasium]
Угу, вот [музыка]. 22 ноября 14 года система автопоиска сверхновых Ассасин засекла вспышку рентгеновского излучения, но нашла она не сверхновую. Сигнал шел из центра Галактики, до которой от нас 290 миллионов световых лет. Полагают, что причиной вспышки была звезда, которая приблизилась к сверхмассивной черной дыре с массой в миллионы раз больше солнца, и та её поглотила.
Черные дыры питаются звёздами, и да, астрофизики именно так описывают данный процесс. Такие события очень редкие в галактике. Они происходят раз в 10, а то и в 100 тысяч лет. Их называют событиями или вспышками приливного разрушения. Та сторона звезды, которая находилась ближе к черной дыре, притягивалась сильнее, чем противоположная, и звезду разорвал.
Летящая к черной дыре материя образовала аккреционный диск — вращающееся кольцо из газа и пыли, которые ускоряются, нагреваются и испускают наблюдаемое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Интересно, что это преображает спящую черную дыру из незаметного объекта в яркий источник света, так как в нее падает звёздное вещество.
Вот как это выглядит. Не впечатлены? Вот это же событие глазами художников. Кто-то скептически спросит: «Откуда нам знать, как оно было? Может, ученые все придумали, чтобы получить гранты или привлечь людей в науку?» Что ж, я объясню, откуда нам это известно. Но сначала про кое-что странное.
В течение нескольких лет после открытия ученые наблюдали эту часть неба с помощью трех рентгеновских телескопов и обнаружили, что рентгеновские лучи пульсируют с частотой в 131 секунду. Все три телескопа показали этот результат. Наблюдения продолжались более 450 дней, но пульсация не ослабевала, наоборот, колебания усиливались, и их величина за это время повысилась на 40 процентов.
Откуда же взялись эти периодические рентгеновские вспышки? И что они могут рассказать о черной дыре? Давайте разберемся, тем более что черные дыр ы — самые простые объекты во Вселенной. Я имею в виду, что их характеризует всего два параметра: масса и спин.
Да, конечно, есть еще заряд, но черные дыры обычно нейтральны, поэтому значение имеют лишь масса и спин. Массу черной дыры вычислить довольно просто, даже если она очень далеко. Достаточно ньютоновской физики: измерив ее гравитационное воздействие на другие тела, можно вычислить ее массу, что и было сделано. И оказалось, что она варьируется от нескольких солнечных — это черные дыры звездных масс — до миллиардов солнечных — это сверхмассивные черные дыры.
Считается, что в центре большинства галактик, включая нашу, есть сверхмассивные черные дыры. А что же спин? Так как черные дыры рождаются из коллапсировавших звезд, а звезды вращаются, то черные дыры тоже должны вращаться. И правда, какова вероятность, что куча вещества коллапсирует в идеально неподвижную точку? Такое вряд ли случится.
А когда в черную дыру попадает новая материя, это увеличивает момент импульса, как у фигуриста, который крутится быстрее, когда прижимает руки к телу. В общем, черные дыры вращаются очень быстро. Спин измерить сложнее, так как в отличие от массы он сильно влияет лишь на объекты, близкие к черной дыре.
Но есть способ, вернее, три способа, чтобы понять их. Принцип нужно знать, что такое Иско в физике Ньютона. Если поместить тело возле компактной массы, то орбита его вращения будет стабильной с любым, даже небольшим радиусом. Но в общей теории относительности все иначе. В ней есть понятие самого внутреннего устойчивого — круговая орбита с радиусом Иско.
Если радиус орбиты меньше Иско, значит, она не устойчивая, объект упадет на массивное тело. У активной черной дыры самый внутренний край аккреционного диска находится на радиусе Иско. Радиус Иско важен для нас, так как он связан со спином черной дыры. Чем быстрее она вращается, тем меньше радиус Иско.
Если у черной дыры и диска одно направление вращения, благодаря тому что черная дыра вращается, частицы могут крутиться к ней ближе, чем при нулевом спине. Получается, что спин как бы помогает частицам противостоять безжалостной гравитации. Спин часто описывают как безразмерный параметр в диапазоне от нуля (вращения нет) до единицы (максимальный спин).
Хотя думаю, он может быть и отрицательным, если черная дыра вращается против направления вращения диска. Если спин растет, радиус Иско уменьшается с коэффициентом 6, стремясь к размеру горизонта событий. И многие ученые считают, что это максимально возможный для черной дыры спин.
Ведь если бы минимальная устойчивая орбита достигла горизонта событий, тогда свет смог бы вырваться из черной дыры, а мы смогли бы заглянуть в сингулярность. Эта гипотеза называется голой сингулярностью, и многих ученых она смущает. Пока что у теории нет оснований утверждать, что черные дыры не могут превысить максимума, просто мы таких дыр пока не встречали.
Да и сама идея обнаженной сингулярности кажется странной. Большинство учёных считают, что максимальный спин составляет примерно 0,998. Черной дыры с помощью радиуса Иско. Для начала вспомним, как мы вообще измеряем то, что находится далеко от нас.
Скажем, радиус звезды. Большинство звёзд так далеки, что в телескоп мы видим лишь маленькие точки. Как же узнать их радиус? Посмотреть на спектральную линию. Потому насколько она сдвинута к красному, можно определить расстояние до звезды, а сравнивая спектр звезды с кривой излучения черного тела, можно также узнать её температуру.
Мощность же излучения на единицу площади сильно зависит от температуры. Итак, зная, насколько звезда яркая, насколько она далеко и какова мощность излучения на единицу площади, можно узнать площадь звезды и, значит, её радиус. Примерно то же самое можно сделать с аккреционным диском: просто вместо радиуса светящейся сферы будем искать радиус черного круга.
Радиусы в центре светящегося диска. А с помощью Иско можно найти значение спина, что и сделали с рядом черных дыр, и их спины оказались в пределах от 0,1 до почти максимального. Но этот метод работает только если излучение черной дыры и слабее излучения черного тела аккреционного диска, что часто не так.
Второй метод связан с эмиссионными линиями железа вокруг ряда черных дыр. Железо испускает рентгеновские лучи, причем у них нет единой частоты, она растянута доплеровским смещением из-за высокой скорости движения железа в аккреционном диске и гравитационным красным смещением из-за сильнейших гравитационных полей.
По нижней границе эмиссионной линии железа можно определить, как близко к черной дыре линия излучается, а заодно и радиус Иско. Но что, если нет яркой эмиссии? К счастью, есть третий способ: найти периодические колебания, такие как повторяющиеся каждую 131 секунду вспышки рентгеновского излучения.
Считают, что эта цикличность вызвана вращением сгустков. По высокой частоте ясно, что эти сгустки летают близко к дыре, чуть ли не по радиусу Иско, разгоняясь до половины скорости света. Но что за объекты эти сгустки? Ученые считают, что здесь произошло одно очень маловероятное событие: за годы наблюдавшиеся вспышки вокруг такой черной дыры вращался белый карлик.
Его орбита, вероятно, была стабильной на протяжении сотни-другой лет. Сам по себе белый карлик не был виден с Земли, но потом мимо пролетела другая звезда, и её разорвало приливными силами. Вещество звезды закрутилось в аккреционный диск, белого карлика накрыли светящиеся останки звезды, и он стал горячим объектом, излучающим рентгеновские лучи.
При том, что период его обращения напрямую связан со спином дыры. В этом случае спин находится между значениями 0,7 и максимум 0,998, то есть скорость объектов не меньше половины скорости света. Это первый случай, когда спин, в начале опираясь на вспышку приливного разрушения, и этот метод может стать хорошим способом определения спина черных дыр.
Особенно тех, что до этого спали, а таких среди сверхмассивных 95 процентов. Они съедают звезду и дают нам шанс узнать их спин. Почему это важно? Потому что помогает понять, как возникла черная дыра. Если взять сверхмассивные черные дыры, которые растут благодаря тому, что кормятся материей своей галактики, то понятно, что они вращаются быстрее за счет того, что момент импульса этой материи направлен примерно в одну сторону.
А значит спин таких дыр только растет. Другое дело сверхмассивные дыры, образовавшиеся в основном в результате слияния друг с другом: их спины меньше, потому что черные дыры могли быть направлены куда угодно. Когда мы разными способами вычислим спины большого количества черных дыр, удаленных от нас в пространстве, то мы лучше поймем, как они растут.
А поскольку в центре большинства галактик лежат сверхмассивные черные дыры, то они также служат ключом к пониманию того, как эти галактики возникли, а затем развивались многие миллиарды лет. Переведено и озвучено студией Vertyder.