Существует вселенная, полная черных дыр, которые счастливо вращаются – некоторые быстрее, некоторые медленнее. Недавнее исследование сверхмассивных черных дыр показывает, что скорость их вращения может многое рассказать об истории их формирования.
Если вы хотите описать свойства сверхмассивной черной дыры, вам нужно использовать два важных числа. Один из них — это его масса, а другой — скорость вращения. Считается, что скорость вращения некоторых черных дыр очень близка к скорости света. По словам Логана Фрайса, аспиранта Университета Коннектикута, эти цифры сложно определить. «Проблема в том, что массу трудно измерить, а вращение еще сложнее», — сказал он. Тем не менее, важно иметь точные цифры, если мы хотим понять эволюцию черных дыр.
Фрайс и его коллеги из проекта картографирования реверберации Sloan Digital Sky Survey взяли на себя сложную задачу. Они измеряли скорость вращения черных дыр на протяжении всей космической истории. «Мы изучали гигантские черные дыры, обнаруженные в центрах галактик с сегодняшнего дня до семи миллиардов лет назад», — сказал Фрайс, ведущий автор статьи об этой работе. В рамках картографического проекта также были проведены детальные наблюдения за соответствующими аккреционными дисками. Это области, ближайшие к черной дыре, где материя скапливается и нагревается по спирали в нее. Измерение этого диапазона важно, потому что знание массы черной дыры и структуры ее аккреционного диска дает данные, которые позволяют измерить скорость вращения. Астрономы обычно оценивают скорость вращения, наблюдая за тем, как ведет себя материя, когда она падает в черную дыру.
Черные дыры и их археология
По словам Фрайса, результаты обзора SDSS по измерению масс сотен черных дыр стали сюрпризом. Потому что скорость вращения многое говорит об истории образования черных дыр. «Неожиданно мы обнаружили, что они вращались слишком быстро, чтобы образоваться только в результате слияния галактик», — сказал он. «Они, должно быть, образовались в основном из падающего материала, что заставляет черную дыру расти равномерно и ускорять ее вращение».
Фрайс описал свою работу на недавнем собрании Американского астрономического общества. «Я читал исследовательские работы, в которых теоретически рассматривается вращение черной дыры с точки зрения подобных слияний черных дыр, и мне было любопытно, можно ли измерить вращение посредством наблюдений», — сказал Фрайс. Он отметил, что история роста черных дыр требует более точных измерений, чем это было доступно ранее. И они непростые, говорит руководитель диссертации Фрайса, профессор физики Джонатан Трамп. «Задача состоит в том, чтобы отделить вращение черной дыры от вращения окружающего ее аккреционного диска», — сказал Трамп. «Главное — взглянуть на самую внутреннюю область, где газ попадает в горизонт событий черной дыры. Вращающаяся черная дыра увлекает за собой самый внутренний материал, что приводит к заметной разнице, когда мы смотрим на детали наших измерений».
Для изучения массы и вращения черной дыры необходимы спектральные измерения. Измерения, проведенные SDSS, содержат небольшие сдвиги в спектрах в сторону более коротких волн света. Этот сдвиг является важным ключом к определению скорости вращения черной дыры. «Я называю этот подход «археологией черных дыр», — сказал Фрайс, — потому что мы пытаемся понять, как масса черной дыры увеличивалась с течением времени. Когда вы смотрите на вращение черной дыры, вы смотрите на ее вращение». по сути, это летопись окаменелостей».
Что нам говорят черные дыры
О чем говорит нам эта летопись окаменелостей? Во-первых, это бросает вызов преобладающему мнению о том, что столкновения галактик всегда порождают черные дыры. Другими словами, когда галактики слились, слились и их центральные черные дыры. Каждая галактика имеет свою скорость вращения и ориентацию при слиянии. Вращения могут так же легко компенсировать друг друга, как и складывать их вместе. Если это правда, то астрономы должны были наблюдать широкий диапазон вращений. Некоторые черные дыры должны иметь большое вращение, другие… не очень.
Большим сюрпризом является то, что многие черные дыры вращаются очень быстро. Что еще более удивительно, так это то, что самые дальние объекты вращаются быстрее, чем самые близкие к нам (т. е. «ближняя» Вселенная). Как будто они вращались быстрее в ранней Вселенной и медленнее в более поздние эпохи. «Мы обнаружили, что около 10 миллиардов лет назад черные дыры набирали массу в основном за счет поедания вещей», — объяснил Фрайс.
Ранняя высокая скорость вращения предполагает, что большинство сверхмассивных черных дыр (например, в нашем Млечном Пути) сформировались с течением времени путем поглощения газа и пыли очень однородным и контролируемым образом. Другими словами, чем больше они едят (в виде звезд и газа), тем выше скорость их вращения. Также оказывается, что рост слияний на самом деле замедляет вращение сверхмассивных черных дыр. Это может объяснить, почему те, которые мы измеряем сегодня, имеют смешанные скорости вращения, а не более однородные скорости предыдущих эпох.
Будущие направления
Идея о том, что черные дыры формируются плавно с течением времени, предлагает новое направление для исследований черных дыр. Наблюдения JWST помогут создать больше объектов для расследования. Такие исследования, как проект SDSS Reverberation Mapping, затем позволят провести более точные измерения гигантских сверхмассивных черных дыр, которые JWST постоянно находит, исследуя Вселенную.
Дополнительная информация
Вращающиеся черные дыры показывают, как они росли
«Археология черных дыр»: понимание того, как черные дыры приобрели свою массу
Археология черных дыр: картирование истории роста черных дыр в космическом времени (презентация AAS в формате PDF)
