Астрономы увидели, как свет падает обратно к чёрной дыре

Астрономы впервые наблюдали важные детали активности чёрных дыр.

Астрономы впервые наблюдали важные детали активности чёрных дыр.
Иллюстрация NASA/SOFIA/Lynette Cook.

Наблюдения EHT показали, что ядро квазара 3С 279 состоит из двух отдельных структур.

Наблюдения EHT показали, что ядро квазара 3С 279 состоит из двух отдельных структур.
Иллюстрация J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA, GMVA), Event Horizon Telescope Collaboration.

Наблюдатели впервые обнаружили фотоны, возвращавшиеся к аккреционному диску под действием гравитации чёрной дыры. Перевод Вести.Наука.

Наблюдатели впервые обнаружили фотоны, возвращавшиеся к аккреционному диску под действием гравитации чёрной дыры. Перевод Вести.Наука.
Иллюстрация NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)/R. Connors (Caltech).

Астрономы впервые наблюдали важные детали активности чёрных дыр.
Наблюдения EHT показали, что ядро квазара 3С 279 состоит из двух отдельных структур.
Наблюдатели впервые обнаружили фотоны, возвращавшиеся к аккреционному диску под действием гравитации чёрной дыры. Перевод Вести.Наука.

Сразу два исследования проливают свет на интересные подробности активности чёрных дыр, которые раньше ускользали от наблюдателей. Одно из них позволило изучить чёрную дыру и происходящее близ неё в невероятных деталях, второе показало, как рентгеновские лучи изгибаются, падая обратно на космическую хищницу.

В гостях у квазара

В работе, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics, речь идёт о невероятно детальном исследовании чёрной дыры в центре квазара 3C 279. Он расположен в пяти миллиардах световых лет от Земли в созвездии Девы.

Эта чёрная дыра в миллиард раз массивнее нашего Солнца. Она окружена плотным диском падающего на неё вещества (аккреционным диском). Эта материя раскалена и интенсивно излучает электромагнитные волны во всех диапазонах. Из центра диска бьют струи частиц (джеты), разогнанные до 99,5% скорости света.

Проанализированные учёными данные были получены системой радиотелескопов EHT ‒ той самой, которая обеспечила первое в истории изображение чёрной дыры.

Система из нескольких радиотелескопов, находящихся в разных уголках мира, работает как радиоинтерферометр ("Вести.Наука" подробно рассказывали, что это такое). По способности различать мелкие детали она сравнима с антенной размером с Землю.

Говоря точнее, EHT различает детали с угловым размером от 20 угловых микросекунд. Такой угловой размер, к слову, имеет апельсин в лунном кратере, если наблюдать его с Земли.

Система позволяет различить в квазаре 3C 279 детали размером менее светового года! Впечатляющее достижение для дистанции в миллиарды световых лет. Благодаря этому астрономы получили целый ворох новостей.

Прежде всего то, что по данным других телескопов казалось единым ядром квазара, под зорким взглядом EHT распалось на два отдельных "горячих пятна".

Наблюдения EHT показали, что ядро квазара 3С 279 состоит из двух отдельных структур.

Кроме того, астрономы неожиданно обнаружили, что джет искривлён у самого основания. Также они разглядели там некие структуры, перпендикулярные оси джета. Похоже, специалисты впервые воочию увидели полюса аккреционного диска.

Наконец, выяснилось, что мелкие детали изображения меняются ото дня ко дню. Это может происходить из-за вращения диска и постепенного оседания вещества на чёрную дыру – процессов, которые исследователи тоже никогда раньше не наблюдали в подробностях.

"В прошлом году мы представили первое изображение тени чёрной дыры. Теперь мы видим неожиданные изменения в форме джета 3С 279, и мы ещё не закончили. Как мы говорили в прошлом году, это только начало", – обещает председатель Совета коллаборации EHT Антон Зенсус (Anton Zensus).

Действительно, сообщество EHT проводит наблюдения весной каждого года. К тому же в систему постепенно добавляются новые телескопы. Обработанные ныне данные относятся к 2017 году, на очереди наблюдения последующих лет.

К сожалению, наблюдательная кампания 2020 года была отменена из-за пандемии COVID-19. Но учёные надеются наверстать упущенное в 2021 году, когда в составе EHT будет уже 11 инструментов.

Попытка к бегству

Открытия можно делать не только благодаря новейшим инструментам, но и внимательно анализируя архивные данные. В этом убеждает статья, опубликованная в издании Astrophysical Journal. В публикации речь идёт о первом наблюдении фотонов, которые под действием чудовищной гравитации чёрной дыры вернулись к аккреционному диску и отразились от него.

Как известно, вокруг чёрной дыры существует поверхность (горизонт событий), на которой лучи света замыкаются в кольцо. Фотоны не могут вырваться из гравитационного плена, поэтому всё, что находится под горизонтом событий, для нас невидимо. Аккреционный диск лежит за пределами этой зоны невозврата, поэтому астрономы и могут наблюдать его излучение.

Но чёрная дыра не отпускает фотоны просто так. Теоретики ещё в 1970-х годах рассчитали, что часть излучения под действием гравитации вернётся обратно к космической хищнице и достигнет телескопов, только отразившись от аккреционного диска.

Наблюдатели впервые обнаружили фотоны, возвращавшиеся к аккреционному диску под действием гравитации чёрной дыры. Перевод "Вести.Наука".

Теперь исследователи впервые обнаружили этот эффект. Они использовали архивные данные ныне свёрнутой миссии RXTE.

В 1998/99 и 2000 годах этот рентгеновский орбитальный телескоп наблюдал рентгеновские вспышки в системе XTE J1550-564. Она состоит из чёрной дыры массой в десять солнечных и обычной звезды. "Хищница" своей гравитацией похищает у светила часть вещества, и оно образует вокруг чёрной дыры аккреционный диск.

"Диск, по сути, освещает сам себя, – объясняет соавтор исследования Хавьер Гарсиа (Javier García) из Калифорнийского технологического института. – Теоретики предсказывали, какая часть излучения будет отклоняться назад к диску, и теперь мы впервые подтвердили эти прогнозы".

Теперь исследователи надеются использовать этот эффект для измерения скорости вращения чёрных дыр. Этот важный параметр пока плохо изучен астрономами.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о самом подробном изображении джета и о том, как в небывалых подробностях учёные разглядели центральную чёрную дыру Млечного Пути.