Черные дыры нарушают наше понимание Вселенной и законов физики. Поскольку черная дыра вращается, она тащит за собой окружающее пространство и дает астрономам возможность изучить некоторые из предсказаний Эйнштейна относительно относительности.
Существование черных дыр является, пожалуй, самым увлекательным предсказанием Общей теории относительности Эйнштейна. Когда любая масса, такая как звезда, становится более компактной, чем определенный предел, ее собственная гравитация становится настолько сильной, что объект разрушается до особой точки, черной дыры. В народном сознании этот огромный гравитационный колодец - место, где происходят странные вещи. И теперь команда, возглавляемая Центром астрофизики, измерила чёрную дыру звездной массы, вращающуюся так быстро - вращаясь более 950 раз в секунду - что она выдвигает предсказанный предел скорости вращения.
«Я бы сказал, что этот режим гравитации так же далек от непосредственного опыта и знания, как и сам субатомный мир», - говорит астроном CfA Джеффри МакКлинток.
Применяя методику измерения вращения, разработанную совместно МакКлинток и астрофизиком CfA Рамешем Нарайаном, команда использовала спутниковые данные НАСА Rossi X-ray Timing Explorer, чтобы обеспечить наиболее точное определение спина черной дыры.
Макклинток и Нарайан возглавляли международную группу, состоящую из Ребекки Шафи, физического факультета Гарвардского университета; Рональд Ремиллард, Центр астрофизики и космических исследований им. Кавли, MIT; Шейн Дэвис, Университет Калифорнии, Санта-Барбара, и Ли-Синь Ли, Институт астрофизики Макса Планка, Германия, в этом исследовании. Результаты опубликованы в сегодняшнем выпуске Astrophysical Journal.
«Теперь у нас есть точные значения скорости вращения трех черных дыр», - говорит МакКлинток. «Наиболее впечатляющим является наш результат для микроквазара GRS1915 + 105, у которого вращение составляет от 82% до 100% от теоретического максимального значения».
«Этот результат имеет важное значение для объяснения того, как черные дыры испускают струи, для моделирования возможных источников гамма-всплесков и для обнаружения гравитационных волн», - говорит теоретик Нараян.
Почему астрономы заботятся о спине?
«В астрономии черная дыра полностью описывается только двумя числами, которые определяют ее массу и скорость ее вращения», - говорит МакКлинток. «Мы не знаем ничего более простого, кроме фундаментальной частицы, такой как электрон или кварк».
Хотя астрономам удалось измерить массу черной дыры, они обнаружили, что гораздо сложнее измерить второй фундаментальный параметр черной дыры, ее вращение.
«Действительно, до этого года не было никакой достоверной оценки вращения любой черной дыры», - говорит Нараян.
Гравитация черной дыры настолько сильна, что, вращаясь, черная дыра тащит за собой окружающее пространство. Край этой вращающейся дыры называется горизонтом событий. Любой материал, пересекающий горизонт событий, втягивается в черную дыру.
«Частота вращения черной дыры, которую мы измерили, - это скорость, с которой пространство-время вращается или затягивается прямо на горизонте событий черной дыры», - говорит Нараян.
Высокоскоростная черная дыра GRS 1915 является самой массивной из 20 рентгеновских двойных черных дыр, для которых в настоящее время известны массы, ее масса примерно в 14 раз больше, чем у Солнца. Он хорошо известен своими уникальными свойствами, такими как выбрасывание струй вещества почти со скоростью света и быстрое изменение его рентгеновского излучения.
За последние несколько десятилетий в рентгеновских двойных системах были обнаружены десятки черных дыр. Двойной рентгеновский луч - это система, в которой два объекта вращаются вокруг друг друга, причем газ от одного - нормальной звезды, подобной Солнцу - устойчиво переносится к другому - в данном случае, черной дыре. Газ превращается в черную дыру в процессе аккреции. По мере приближения он нагревается до миллионов градусов и излучает рентгеновские лучи. Команда использовала рентгеновский спектр аккреционного диска черной дыры, чтобы определить его вращение.
Техника основана на ключевом предсказании теории относительности: газ, который накапливается в черной дыре, излучается только до определенного радиуса, который находится вне черной дыры - за пределами ее горизонта событий. Внутри этого радиуса газ падает в отверстие слишком быстро, чтобы произвести много радиации. Критический радиус зависит от спина черной дыры, поэтому измерение этого радиуса дает прямую оценку спина. Чем меньше радиус, тем горячее рентгеновские лучи, испускаемые диском. Температура рентгеновских лучей в сочетании с яркостью рентгеновского излучения дает радиус, который, в свою очередь, дает скорость вращения черной дыры.
«Действительно здорово иметь возможность измерить что-то столь фундаментальное», - говорит Ребекка Шафи, аспирантка физического факультета Гарвардского университета. «Наш метод очень прост по своей концепции и прост для понимания. Нам действительно повезло иметь мощные рентгеновские обсерватории, такие как Rossi X-Ray Timing Explorer в космосе и телескопы на Земле для проведения необходимых измерений ».
Поискам причины гамма-всплесков, которые на мгновение могут стать самой яркой вспышкой во вселенной, могут помочь результаты команды. Теоретик-астрофизик Стэн Вусли из Калифорнийского университета в Санта-Крузе смоделировал гамма-всплески, основанные на коллапсе массивной звезды. Эти модели, однако, зависят от существования черных дыр с очень высоким спином, что до сих пор никогда не подтверждалось.
«Это чрезвычайно важно», - говорит Вусли. «Я понятия не имел, что такие измерения могут быть сделаны».
В документе делается вывод, что GRS 1915 и две другие черные дыры, изученные командой, родились с высокими спинами. То есть коллапсирующее ядро исходной массивной звезды излило свой момент импульса вниз в черную дыру.
«С тех пор как сообщество много лет назад выяснило, как измерить массу черной дыры, измерение вращения было святым Граалем в этой области», - говорит МакКлинток. «Техника, которую мы использовали на GRS 1915, может быть применена ко многим другим рентгеновским двойным файлам с черной дырой. Мы не можем дождаться, чтобы увидеть, что мы находим! »
«Мы надеемся, что системы чёрных дыр, которые мы изучаем, также будут изучаться другими группами с использованием их любимых методов измерения спина», - говорит Нараян. «Как только эти другие методы получат дальнейшее развитие и станут более надежными, перекрестное сравнение результатов различных методов будет наиболее интересным».
Источник: пресс-релиз CfA
