На расстоянии пятидесяти пяти миллионов световых лет от нас, в галактике, известной как M87, находится сверхмассивная черная дыра. Это мощно активная черная дыра с массой 6,5 миллиардов Солнц, и в 2019 году это была первая черная дыра, изображение которой было получено напрямую. Радиоизображение, полученное телескопом Event Horizon (EHT), показывает ореол окружающего света, искаженный гравитацией черной дыры и направленный в нашу сторону. На одной стороне гало свет ярче, что, согласно общей теории относительности, связано с вращением или вращением черной дыры. Это было первое прямое подтверждение того, что черная дыра вращается. Новое исследование, опубликованное в Природа дало нам больше доказательств ротации.
Неудивительно, что сверхмассивная черная дыра M87 вращается. Все, от звезд до планет, вращается, поэтому астрономы ожидают, что все черные дыры тоже вращаются. Задача – доказать это. Поскольку черные дыры не имеют поверхностных особенностей, единственный способ определить вращение черной дыры — это ее торсионное воздействие на пространство и время и то, как это влияет на близлежащий свет, газ и пыль. Наблюдения EHT согласуются с вращающейся черной дырой, но, конечно, это предполагает, что общая теория относительности Эйнштейна верна. Так что было бы неплохо иметь какие-то ротационные доказательства, которые не основывались бы на этом предположении.
Новое исследование рассматривает эффект вращения, известный как прецессия. Возможно, вы заметили этот эффект в таких вещах, как волчки. Если вы включите вращение волчка, вы можете заметить, что его ориентация медленно меняется. Ось вращения прецессирует благодаря силе гравитации Земли, пытающейся заставить ее упасть. Прецессирует множество вращающихся тел. Земля, например, прецессирует благодаря притяжению Луны. Вот почему тысячи лет назад северной звездой была не Полярная звезда, а звезда Тубан в созвездии Дракона.
Поскольку черная дыра M87 активна, она генерирует огромные струи, которые расходятся от полюсов вращения черной дыры почти со скоростью света. Если черная дыра прецессирует, то направление этих струй должно со временем меняться. Это то, что искало новое исследование.
Команда проанализировала радиоданные о джете черной дыры за более чем 17 лет и обнаружила, что ориентация джета со временем немного изменилась. Он колеблется примерно на 10 градусов с периодическим циклом 8 – 10 лет. Это означает, что ось вращения черной дыры прецессирует в этом диапазоне. Поскольку прецессия является прямым следствием вращения, это подтверждает вращение черной дыры.
Хотя команда подтвердила вращение, исследование поднимает вопрос о том, что именно вызывает прецессию черной дыры. Земля и вершины прецессируют, потому что испытывают гравитационное притяжение со стороны другого тела. Черная дыра M87 имеет самую большую массу в комнате, и поблизости нет тела такой же массы. Так что же дает? Ответ может заключаться в эффекте Лензе-Тирринга, также известном как перетаскивание кадра. В общей теории относительности вращающаяся масса закручивает пространство-время вокруг себя, а это означает, что все, что вращается вокруг нее, может иметь перекошенную орбиту. Для таких тел, как Земля, эффект незначителен, хотя он наблюдался. Для черных дыр эффект Лензе-Тирринга может быть мощным. Возможно, это приводит к тому, что аккреционный диск материала, окружающий черную дыру, слегка смещается, и когда его материал поглощается черной дырой, он оказывает небольшой крутящий момент на черную дыру, вызывая ее прецессию. Если это правда, то струи многих других сверхмассивных черных дыр должны испытывать аналогичный эффект.
Самое замечательное в этом исследовании то, что оно дает нам достоверные данные о динамическом поведении черной дыры. Нам не нужно полагаться исключительно на вычислительные модели, чтобы понять, как черные дыры взаимодействуют с окружающей средой. Теперь мы можем сравнивать модели с данными, что поможет нам не только лучше понять черные дыры, но и галактики, в которых они живут.
Ссылка: Цуй, Южу и др. «Прецессирующее реактивное сопло, соединяющееся с вращающейся черной дырой в M87». Природа 621.7980 (2023): 711-715.
