Астрономы точно измерили аккреционный диск черной дыры

Многие могут подумать, что определяющей особенностью черной дыры является горизонт событий. Точка невозврата, из которой не может выйти даже свет. Хотя это правда, что у всех черных дыр есть горизонт событий, более важной особенностью является диск горячего газа и пыли, окружающий ее, известный как аккреционный диск. И команда астрономов провела первое прямое измерение одного из них.

По словам Ньютона, если вы уроните объект из состояния покоя рядом с планетой или звездой, объект упадет прямо вниз, следуя по линейной траектории, пока не столкнется с планетой или звездой. Эйнштейн говорит немного другое. Этот прямой путь возможен только в том случае, если планета или звезда не вращаются. Если он вращается, то пространство возле планеты или звезды искривлено. Это эффект, известный как перетаскивание рамки, и он означает, что наш объект будет тянуться вокруг объекта при его падении. Мы измерили затягивание кадра на спутниках, расположенных вблизи Земли, поэтому знаем, что это реальный эффект.

Вблизи быстро вращающихся черных дыр эффект перетаскивания может быть огромным. Это означает, что когда газ и пыль начинают падать к черной дыре, они сметаются в диск вокруг экваториальной плоскости черной дыры. Весь газ и пыль перегреваются, что создает огромное давление. Аккреционный диск может генерировать сильные магнитные поля, испускать мощные рентгеновские лучи и даже создавать струи газа, которые устремляются от черной дыры почти со скоростью света. Большинство черных дыр, которые мы обнаружили во Вселенной, возникли в результате высокоэнергетического воздействия их аккреционных дисков. Но физика аккреционных дисков черных дыр сложна, и мы еще не до конца понимаем их динамику и даже не имеем точной оценки их размера.

У нас есть базовая оценка размера аккреционных дисков. Одна из особенностей квазаров, которую мы заметили, заключается в том, что их яркость может колебаться. Квазары — это сверхмассивные черные дыры с радиоярким аккреционным диском. Учитывая конечную скорость света, скорость флуктуаций дает нам верхнюю границу размера аккреционного диска. Так, например, если квазар колеблется в масштабе года, мы знаем, что аккреционный диск не может быть больше светового года в поперечнике. Наиболее точно измеренный колеблющийся квазар — 3C 273, и мы знаем, что его аккреционный диск имеет диаметр около 1,5 световых лет, или около 100 000 а.е.

Но это лишь верхняя граница, и аккреционный диск мог бы быть меньше. Не имея прямого измерения аккреционного диска, мы полагаемся на компьютерное моделирование, чтобы оценить его размер. Но в этой недавней работе было непосредственно измерено аккреционный диск сверхмассивной черной дыры, что дает нам шаг вперед в понимании черных дыр.

Чтобы добиться этого, команда использовала другой подход. Вместо того, чтобы использовать флуктуации яркости, они измерили линии излучения сверхмассивной черной дыры в центре галактики, известной как III Zw 002. С помощью телескопа Gemini North они смогли изучить особенно яркую линию излучения водорода и одну линию кислорода. Оба этих спектра представляли собой особенность двойного пика. Этот двойной пик вызван вращением аккреционного диска. Когда диск вращается, свет от части диска, вращающейся к нам, смещается в сторону синего спектра, а свет от части диска, вращающейся от нас, смещается в красную сторону. Эффект наиболее значителен на внешних краях диска, отсюда и появление двойного пика.

На основе этих спектральных данных команда определила, что черная дыра имеет массу около 400–900 миллионов солнечных масс, а ее ось вращения наклонена примерно на 18 градусов относительно нашего луча зрения. Пики линии водорода находятся на расстоянии около 16,8 световых дней от черной дыры, а пики линии кислорода — на расстоянии около 18,9 световых дней от черной дыры. Это означает, что диаметр аккреционного диска составляет около 40 световых дней.

Этот результат — лишь первый шаг. Команда продолжает наблюдать III Zw 002 и надеется изучить, как аккреционный диск прецессирует вокруг черной дыры с течением времени, что расскажет нам о динамике между ними.