Як обертаються чорні діри
В листопаді 2014 (дві тисячі чотирнадцятого) автоматизованою системою для пошуків наднових був виявлений спалах X-випромінювання (ікс-).
Але це була не наднова.
Сигнал прийшов з центра галактики, розташованої на відстані 290 (двісті дев'яносто) мільйонів світлових років.
Вважається, що зірка підійшла надто близько до надмасивної чорної діри з масою в мільйони мас Сонця, і була поглинута нею.
Чорна діра фактично "з'їла" зірку.
Астрофізики використовують майже таку саму термінологію.
Такі події, як ця, дуже рідкісні: одна така подія стається один раз на 10000 - 100000 (десять - сто тисяч) років.
Це називається подією (або спалахом) припливного руйнування: коли бік зірки, ближчий до чорної діри, притягується до неї сильніше, ніж протилежний бік.
Це розриває зірку на частини, які по спіралі падають в чорну діру, утворюючи акреційний диск - кільце газу і пилу, яке розігрівається і випромінює видиме світло, ультрафіолетове та X-випромінювання.
Цікавим у цій події є те, що вона перетворила спокійну чорну діру на об'єкт з яскравим диском, який ми можемо спостерігати із Землі.
І ось як це виглядало.
Якщо ви розчаровані, то погляньте на художні зображення такої події.
Ви можете скептично запитати: "Звідки ми знаємо, що все відбувається саме так? Що, як вчені просто вигадують це для отримання грантів або для зацікавлення людей наукою?"
Я поясню, як ми дізналися, що все відбувається саме так.
Але спочатку все було дуже загадковим.
Три рентгенівські телескопи були спрямовані на цю ділянку неба певний час після події.
І вони виявили потужні регулярні імпульси X-випромінювання кожні 131 (сто тридцять одну) секунду.
Усі три телескопи спостерігали ці спалахи.
Упродовж 450 (чотирьохсот п'ятдесяти) днів частота і потужність спалахів не зменшувалися.
Насправді з часом відносна потужність імпульсів рентгенівського випромінювання зросла приблизно на 40%.
Що ж викликало ці періодичні спалахи?
І що вони можуть розповісти нам про чорну діру?
Повернімося назад: чорні діри є одними з найпростіших об'єктів у Всесвіті.
Вони характеризуються лише двома параметрами: масою й обертанням (тобто моментом імпульсу).
Гаразд, є ще заряд. Але оскільки чорні діри найімовірніше незаряджені, то лишаються лиш маса й обертання.
Маса відносно легко визначається.
Далеко від чорної діри застосовна навіть ньютонівська фізика.
Вимірюючи гравітаційний вплив чорної діри на інші тіла, ви можете оцінити масу чорної діри.
Таким чином були знайдені чорні діри з масами від кількох сонячних мас (чорні діри зоряних мас), до мільярдів сонячних мас (надмасивні чорні діри).
Загальноприйнято вважати, що надмасивна чорна діра є в центрі більшості галактик, включно із нашою.
Але що на рахунок обертання? Оскільки чорні діри утворюються при колапсі зірок (а всі зірки обертаються), то всі чорні діри також повинні обертатися.
Імовірність того, що речовина просто без обертання сколапсує в точку, близька до нуля.
Цього просто не станеться.
До того ж речовина, що падає в чорну діру, додає їй власний момент імпульсу.
Так само як обертання фігуриста пришвидшується, коли він притискає руки до тіла, падаюча речовина пришвидшує обертання чорної діри.
Обертання чорної діри важко виміряти, оскільки, на відміну від маси, воно впливає лише на відносно близькі об'єкти.
Але є спосіб зробити це.
Насправді 3 способи.
Для того, щоб зрозуміти їх, розгляньмо ISCO (іско).
У ньютонівській фізиці тіло може обертатися навколо іншого тіла по стійкій коловій орбіті.
І її радіус може бути будь-який.
Але у загальній теорії відносності усе не так.
Існує найбільш внутрішня стійка колова орбіта з радіусом, відомим як R-ISCO (ер-іско).
На меншій відстані стабільні орбіти неможливі: всі тіла потрапляють у чорну діру.
Тож, коли ви дивитеся на чорну діру, яка поглинає речовину, край акреційного диска має радіус R-ISCO (ер-іско).
Зауважу, що радіус ISCO залежить і від обертання чорної діри.
Чим швидше вона обертається, тим меншим стає цей радіус.
Припустимо, що вона обертається в тому ж напрямку, що й акреційний диск.
Обертання чорної діри дозволяє речовині рухатися по меншій орбіті, ніж якби чорна діра не оберталась.
Можна уявити, ніби рух по колу дозволяє частинкам перебороти безжальну силу тяжіння.
Обертання зазвичай описується безрозмірним параметром в діапазоні від 0 (нуля) (немає обертання) до 1 (одного) (максимальне обертання).
Хоча можна уявити й значення -1 (мінус один), якщо чорна діра обертається протилежно до акреційного диска.
В міру пришвидшення обертання R-ISCO (ер-іско) зменшується, доки не досягне горизонту подій.
І це, на думку багатьох вчених, обмежує максимальне обертання чорної діри.
Оскільки якби мінімальна стійка орбіта була розміром з горизонт подій, то світло могло б вийти з чорної діри, дозволяючи нам бачити сингулярність.
Це називається "голою сингулярністю".
І вона не влаштовує багатьох вчених.
Немає вагомої теоретичної причини, чому чорна діра не може обертатися швидше.
Ми досі не бачили горизонту подій, і думка про "голу" сингулярність видається неправильною.
Вважається, що максимальний параметр обертання дорівнює 0,998 (дев'ятсот дев'яносто вісім тисячних).
То як використати R-ISCO для вимірювання обертання чорної діри?
Згадаймо, як ми вимірюємо розмір чого-небудь далеко від нас в глибокому космосі, як-от радіус зірки.
Більшість зірок настільки далекі, що вони лишаються точковими в телескопах.
Як визначити їхні радіуси?
По-перше, проаналізуйте їхній спектр.
За червоним зміщенням спектральних ліній можна оцінити відстань до зірки.
Спектр також показує температуру зірки, як у випадку абсолютно чорного тіла.
А енергія, випромінювана одиницею площі, сильно залежить від температури.
Тож, якщо ви знаєте видиму яскравість зірки, відстань до неї, і енергію, що випромінює одиниця її площі, ви можете обчислити площу поверхні, а отже і радіус зірки.
Можна зробити щось схоже для акреційного диска чорної діри.
Замість визначення радіуса світної сфери, потрібно визначити радіус "тіні" всередині акреційного диска.
Тоді, знаючи R-ISCO, визначити параметр обертання.
Для кількох чорних дір отримані параметри обертання становили від 0,1 (однієї десятої) до майже максимального.
Але цей метод працює лише, якщо випромінювання акреційного диска близьке до випромінювання абсолютно чорного тіла, що, як правило, не так.
Інший підхід полягає у вивченні X-випромінювання (ікс-випромінювання) заліза біля чорної діри.
Деякі чорні діри мають чітку лінію випромінювання заліза.
Але замість однієї частоти лінія розширюється через доплерівський зсув, зумовлений високими швидкостями в акреційному диску, і через гравітаційне червоне зміщення, зумовлене екстремальною гравітацією.
Низькоенергетична межа лінії випромінювання заліза дозволяє визначити R-ISCO.
Але що, як немає яскравої лінії випромінювання заліза?
На щастя, є й третій шлях: шукати періодичні коливання, або варіації в даних.
Як-от імпульси X-випромінювання кожні 131 (сто тридцять одну) секунду.
Ці повторювані імпульси можуть бути викликані згустками речовини в акреційному диску.
І при такій високій частоті вони повинні обертатися дуже близько до R-ISCO, на швидкості, що дорівнює половині швидкості світла.
Але що це за згустки?
Автори дослідження стверджують, що найкращим кандидатом є малоймовірний сценарій: ще до початку руйнування припливними силами на орбіті навколо чорної діри перебував білий карлик.
Перебувати на такій орбіті він може приблизно 100-200 (сто-двісті) років.
Сам білий карлик невидимий із Землі.
Але інша зірка була розірвана припливною взаємодією, сформувавши акреційний диск навколо чорної діри.
Таким чином білий карлик був оповитий гарячою яскравою речовиною, утворивши "пляму" X-випромінювання, період обертання якої безпосередньо пов'язаний з обертанням чорної діри.
У цьому випадку параметр обертання дорівнює щонайменше 0,7 (нуль цілих сім десятих), а, можливо, навіть максимальні 0,998 (нуль цілих дев'ятсот дев'яносто вісім тисячних).
Перше вимірювання обертання стало можливим завдяки припливній взаємодії.
Воно може бути хорошим способом визначення обертання чорних дір.
Особливо тих, які не мають акреційних дисків, а це 95% надмасивних чорних дір.
Якщо вони розірвали зірку, то можна дізнатися про їхнє обертання.
Чому це так важливо?
Тому що це допомагає нам зрозуміти походження чорних дір.
Якщо надмасивні чорні діри ростуть переважно коштом постійного потоку речовини з власної галактики, то їхні моменти імпульсу повинні бути дуже великими через тривале падіння на них речовини, що рухається по колу.
Але якщо натомість надмасивні чорні діри ростуть переважно шляхом злиття з іншими чорними дірами, то підсумковий момент імпульсу буде меншим, оскільки орбіти чорних дір найімовірніше будуть орієнтовані випадково.
Оскільки ми можемо вимірювати обертання все більшої кількості чорних дір на все більших відстанях, нам зрештою вдасться зрозуміти, як вони ростуть.
А оскільки надмасивні чорні діри розташовані в центрах більшості галактик, вони також є ключем для розуміння того, як протягом мільярдів років формувалися і розвивалися галактики.
