Взвесить черную дыру на весах невозможно. Однако сотрудники лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ предложили новый способ косвенного измерения массы черной дыры, параллельно подтвердив ее существование. Метод успешно протестировали на активной галактике Мессье 87. Работа опубликована в престижном научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Активные ядра галактик — это одни из самых ярких и загадочных объектов звездного неба. Явление активности заключается в выбросе галактикой тонкой длинной струи вещества и энергии — релятивистского джета — и не может быть объяснено влиянием звезд, из которых галактика состоит. Согласно современным представлением, активные галактики содержат некий «мотор», называемый ядром. Пока не известно достоверно о природе этих объектов, но один из кандидатов на роль активного ядра — это вращающаяся черная дыра.
Объект Мессье 87, находящийся в созвездии Девы, — ближайшая к нам и наиболее изученная активная галактика. Постоянные наблюдения за ним ведутся с 1781 года — тогда объект был открыт как туманность. Однако по мере накопления сведений туманность начала принимать очертания и с обнаружением джета была признана активной галактикой. На сегодняшний день структура джета у Мессье 87 изучена досконально: построены карты скоростей выброса плазмы, измерены температура и концентрация частиц вещества, увлекаемого в черную дыру. Граница этого джета была измерена настолько тщательно, что ученые увидели: она не однородна по длине, а меняет форму с параболической на коническую. Обнаруженный как единичный случай, этот эффект был недавно подтвержден и для десятка других активных галактик, но М87 по-прежнему демонстрирует его наиболее ярко. Полнота наблюдений позволяет тестировать гипотезы об устройстве активных галактик, в том числе и связь излома с гравитационным влиянием черной дыры. Вообще, поведение джета и существование сверхмассивной черной дыры — это палка о двух концах: первое можно объяснить через второе, а теоретические модели черных дыр — протестировать на наблюдениях джета. Тем, что граница джета состоит из отрезков двух разных кривых, и воспользовались астрофизики. По расстоянию от центра ядра до точки излома им удалось косвенно измерить массу и спин черной дыры. Для этого учеными МФТИ был разработан метод, сочетающий теоретическую модель, компьютерный расчет и наблюдения с телескопов.
Ученые пытаются описывать струйный выброс как течение замагниченной жидкости. В таком случае форма струи определяется электромагнитным полем вокруг. Оно, в свою очередь, зависит от разных факторов: скоростей и зарядов частиц джета, электромагнитных токов внутри струи и аккреции, «всасывания» вещества черной дырой, из-за чего у нее появляется собственное магнитное поле. Сложное сплетение характеристик и физических явлений приводит к наблюдаемому излому. Существует теоретическая модель, предсказывающая излом, и подбирая массу черной дыры в модели таким образом, чтобы результат компьютерного моделирования совпал с наблюдаемой формой выброса, ученые одновременно получили новую оценку массы черной дыры, новый способ измерения, а также подтверждение гипотез теоретической модели.
Ведущий автор работы Елена Нохрина, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, прокомментировала: «Главный результат нашей работы — новый независимый метод оценки массы черной дыры. И хотя его точность сравнима с точностью уже существовавших методов, его преимущество в том, что он приближает нас к конечной цели — уточнению параметров центрального “двигателя” для более глубокого понимания природы его активности».
Лаборатория фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ под руководством Юрия Ковалева, членкора РАН, занимается изучением как джетов квазаров, так и исследованием структур магнитосферы пульсаров, аккреционных дисков и струйных выбросов из молодых звезд, изучением двойных черных дыр и других тесных двойных систем. Кроме понимания природы процессов происходящих в нашей Галактике и Вселенной, эти исследования имеют и практический результат. Они помогают улучшить точность навигационных систем, использующих в своей работе далекие квазары.
Вместе с учеными из Московского физико-технического института в работе принимали участие их коллеги из ФИАН, Объединенного европейского института РСДБ и Делфтского технического университета (Нидерланды), Института астрономии и астрофизики (Тайвань, КНР), Национальной астрономической обсерватории Японии и Высшего университета перспективных исследований (Токио, Япония).