Астрономы с поразительной точностью предугадали танец пары чёрных дыр

Вспышка происходит, когда относительно небольшая чёрная дыра врезается в диск, окружающий более крупную.
Иллюстрация NASA/JPL-Caltech.

Учёные невероятно точно (до нескольких часов) спрогнозировали движение пары сверхмассивных чёрных дыр. Кроме того, они проверили знаменитую теорему о том, что у чёрных дыр нет волос.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal Letters.

Танец гигантов

Центральная чёрная дыра галактики OJ 287, расположенной в 3,5 миллиарда световых лет от Земли, – одна из самых массивных среди известных науке. Её масса достигает 18 миллиардов (!) солнц. Рядом с ней её спутник, чёрная дыра массой в 150 миллионов солнц, выглядит малюткой.

Эта "крошка" делает полный оборот вокруг своей колоссальной подруги примерно за 12 лет. Каждый раз она врезается в газовый диск, окружающий центральное тело. Это столкновение порождает больше излучения, чем триллион звёзд (к слову, в Млечном Пути их вдесятеро меньше). На короткое время система становится в четыре раза ярче, чем обычно.

Орбита небольшой чёрной дыры смещается после каждого оборота. Она поворачивается и меняет наклон относительно газового диска. Поэтому небесное тело погружается в облако вещества на разных участках своей траектории, и вспышки происходят нерегулярно. Иногда между ними проходит год, а иногда – десять.

Вычислить, когда случится следующее столкновение чёрной дыры с диском газа – интересная задача. Она позволяет проверить, насколько хорошо учёные понимают физику чёрных дыр.

Поясним, что движение в такой системе гораздо сложнее, чем, например, обращение Земли вокруг Солнца. Закона тяготения Ньютона уже недостаточно, чтобы правильно рассчитать траекторию. Приходится учитывать эффекты общей теории относительности Эйнштейна, в том числе излучение гравитационных волн. Имеет значение и распределение массы внутри чёрной дыры. Только при точном учёте всех этих факторов можно успешно спрогнозировать, когда же произойдёт очередная вспышка.

В 2018 году группа во главе с Ланкесваром Деем (Lankeswar Dey) из Института фундаментальных исследований Тата в Индии опубликовала статью, в которой спрогнозировала момент следующей вспышки (31 июля 2019 года) с точностью до четырёх часов.

Прощальный подарок "Спитцера"

Учёные оказались правы. Вспышка действительно произошла в назначенное время с точностью до четырёх часов, о чём авторы и сообщают в новой статье.

При этом наблюдать это явление удалось практически чудом. 31 июля 2019 года галактику OJ 287 от всех наземных и околоземных космических телескопов заслоняло Солнце. Человечество просто не узнало бы об этой вспышке, если бы не инфракрасный телескоп Spitzer.

Эта обсерватория была запущена в 2003 году и за более чем 16 лет работы принесла огромное количество открытий. Но аппарат постепенно отдалялся от Земли, и работать с ним становилось всё труднее. В середине 2019 года "Спитцер" находился уже более чем в 600 раз дальше от нашей планеты, чем Луна. Это стало одной из главных причин, по которым миссия телескопа была завершена в январе 2020 года.

Но именно эта огромная дистанция сыграла на руку астрономам 31 июля 2019 года. Аппарат в гордом одиночестве обозревал OJ 287 с другой позиции, и Солнце ему не мешало.

"Удивительная удача, что мы смогли запечатлеть пик этой вспышки с помощью "Спитцера", потому что никакие другие инструменты, созданные человеком, не были на это способны в тот конкретный момент времени", – признаётся первый автор статьи Сеппо Лэйн (Seppo Laine) из Калифорнийского технологического института.

Чёрным дырам не нужны парикмахеры

Эта работа помогла экспертам проверить одно из чрезвычайно важных утверждений о чёрных дырах.

Как мы уже упоминали, при расчёте траектории меньшей чёрной дыры нужно учитывать, как распределена масса большей. В этом астрономы опирались на фундаментальную теорему, выведенную в 1960-х годах. Она утверждает, что у чёрной дыры не может быть никаких характеристик, кроме массы, момента импульса и электрического заряда. Две чёрные дыры, у которых совпадают три этих параметра, нельзя отличить друг от друга. Это утверждение часто формулируется в виде афоризма "У чёрных дыр нет волос", то есть индивидуальных особенностей.

Этот тезис – один из важнейших в физике чёрных дыр. И вот пара сверхмассивных монстров в галактике OJ 287 помогла наблюдателям проверить это теоретическое положение.

Ведь в числе прочего из теоремы следует, что чёрная дыра симметрична относительно оси вращения. Она не может иметь выпуклостей и впадин на своей поверхности (точнее, горизонте событий). Именно из такого распределения массы и исходили исследователи. И их расчёты блестяще подтвердились наблюдениями "Спитцера".

Так прославленный космический телескоп сделал человечеству прощальный подарок, позволив специалистам удостовериться, что они действительно хорошо понимают физику чёрных дыр, и, в частности, что теорема об отсутствии волос работает.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о о другой проверке упомянутой теоремы. Рассказывали мы и о рекордно тесной паре сверхмассивных чёрных дыр.