Заглянуть во тьму: как устроена черная дыра

Фото Getty Images
Астрономы рассмотрели, как в далекой галактике объект размером с Землю исчезает в черной дыре. Оказалось, что черные дыры устроены куда интереснее, чем думали раньше

Широкая публика питает огромный интерес к черным дырам — возможно, концепция «горизонта событий» как-то перекликается с человеческим опытом непоправимости жизненных ошибок. Что касается астрофизиков, то многие из них воспринимают этот интерес скептически: черная дыра, говорят они, все же достаточно простой объект по сравнению, к примеру, с нейтронной звездой. Однако недавняя работа профессора Кена Паундза из университета Лестера и его коллег свидетельствует, что жизнь черных дыр, возможно, куда сложнее и разнообразнее, чем считалось раньше.

О том, как выглядит черная дыра в представлении физиков-теоретиков, можно узнать из фильма «Интерстеллар»: картинку для фильма помогал разрабатывать нобелевский лауреат Кип Торн. Согласно этому представлению, дыру окружает диск из падающего на нее газа. Газ вращается вокруг дыры, разгоняясь при этом до огромных скоростей, и излучает огромную энергию (это, видимо, самый эффективный способ преобразования материи в энергию, существующий во Вселенной). Излучение этого газа столь мощно, что земные астрономы способны фиксировать его, даже если черная дыра находится от нас на расстоянии в миллиарды световых лет. Подобные объекты известны с середины ХХ века и получили название квазаров.

Отчего-то было принято считать, что вокруг черной дыры образуется всего один диск из падающего газа («диск аккреции»), причем ось его вращения совпадает с осью вращения самой черной дыры. Однако такая картина выглядит упрощенной. Оси вращения в системах небесных тел, вообще говоря, не обязаны быть параллельны. К примеру, ось вращения Земли не параллельна оси ее орбиты, и из-за этого мы имеем шанс наслаждаться таким захватывающим явлением, как смена времен года. Возможно, в случае черных дыр несовпадение осей вращения тоже способно породить много интересных явлений. Именно такой случай и наблюдали британские астрономы.

Их внимание привлекла галактика PG211+143, находящаяся примерно в миллиарде световых лет от нас в созвездии Волосы Вероники (его можно найти в северном небе между Девой и Большой Медведицей). В ее центре находится черная дыра в 40 млн солнечных масс. Наблюдали ее с помощью рентгеновской обсерватории XMM-Newton Европейского космического агентства.

Спектр излучения газа свидетельствовал, что он падает на дыру почти отвесно, практически не вращаясь. При этом скорость его падения достигает трети скорости света — 100 000 километров в секунду. Исследователи в течение суток наблюдали за судьбой одного сгустка материи размером примерно с нашу планету, который за это время приблизился к черной дыре на беспрецедентно малое расстояние — всего в 20 раз больше, чем радиус горизонта.

О том, что чего-то в этом роде следовало ожидать, астрономы заранее знали из результатов компьютерной симуляции, проведенной на суперкомпьютере Dirac учеными из того же университета Лестера. Исследователи пытались понять, как будут взаимодействовать между собой несколько дисков аккреции, при условии что газ приближается к черной дыре по произвольным траекториям. Установлено, что взаимодействие образующихся при этом дисков и колец приведет к тому, что вращение будет тормозиться, а падение на дыру значительно ускорится.

Астрономы полагают, что подобная ситуация может быть довольно типична для черных дыр, находящихся в центрах галактик. В этом случае следует ожидать, что они будут вращаться сравнительно медленно, зато смогут заглатывать материю с очень высокой скоростью. Это может быть ответом на давний вопрос: каким образом сверхмассивные черные дыры успели набрать свою массу.

К той же проблеме с другой стороны подошли исследователи из Джорджии, проведя компьютерную симуляцию образования черной дыры путем «прямого коллапса» (то есть непосредственно из облака газа в момент образования галактики). Результаты опубликованы в Nature на этой неделе. Если верить суперкомпьютеру, в ходе этого процесса происходит много интересного, в том числе активное образование звезд в облаке коллапсирующего газа. Этот процесс мог происходить на ранних стадиях существования Вселенной, а это значит, что наблюдать нечто подобное можно лишь в галактиках, находящихся во многих миллиардах световых лет от нашей. Такую возможность астрономам даст космический телескоп James Webb, запуск которого намечен на 2021 год. На это событие и нацелена работа ученых из Джорджии: их симуляция призвана выявить характерные черты («подписи», или «сигнатуры») подобных объектов, чтобы астрономы, зафиксировав нечто подобное, сразу поняли, с чем имеют дело.

Итогом этих недавних научных работ стало более глубокое понимание того, насколько сложным объектом может оказаться черная дыра. Благодаря открытиям астрофизиков теперь совсем не обязательно лично падать в черную дыру, чтобы познакомиться с ее устройством. А если нечто подобное все-таки с вами случится, вы будете лучше подготовлены к тому, что вам предстоит увидеть.

Новости партнеров