Астрономы годами изучали 5000 сверхмассивных черных дыр, чтобы понять, почему те так странно мерцают
Черные дыры — странные явления даже по меркам астрономов. Их масса настолько велика, что искривляет пространство вокруг себя так сильно, что даже свет не может ускользнуть из этой космической бездны.
И все же, несмотря на их знаменитую черноту, некоторые черные дыры вполне видны. Газ и звезды, которые поглощают эти галактические вакуумы, превращаются в ярко светящийся диск перед тем, как отправиться в дыру — и эти диски могут сиять ярче, чем целые галактики.
Что еще более странно, черные дыры мерцают. Яркость светящихся дисков может меняться изо дня в день, и никто не знает, почему. В течение пяти лет ученые наблюдали за более чем 5000 самых быстрорастущих черных дыр в небе, пытаясь понять, почему происходит это мерцание. В статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy, они наконец раскрыли загадку: оказалось, всему виной своего рода турбулентность, вызванная трением и интенсивными гравитационными и магнитными полями.
Гигантские пожиратели звезд
Выборка для исследования состояла из сверхмассивных черных дыр, расположенных в центрах галактик и имеющих массу, равную миллионам или миллиардам Солнц.
В нашей собственной галактике, Млечном Пути, в центре находится один из таких гигантов с массой около четырех миллионов Солнц. 200 миллиардов или около того звезд, составляющих остальную часть галактики (включая наше Солнце), счастливо вращаются вокруг этого колоссального объекта.
Однако не во всех галактиках дела обстоят так мирно. Когда пары галактик притягиваются друг к другу под действием гравитации, многие звезды могут оказаться притянутыми слишком близко к черной дыре своей галактики. Это плохо кончается для звезд: их разрывают на части и пожирают. Черные дыры также могут питаться более медленным и нежным образом: всасывая облака газа, выброшенные стареющими звездами, известными как красные гиганты.
Время обедать
В рамках нового исследования команда внимательно изучила процесс питания среди 5000 самых быстрорастущих черных дыр во Вселенной. В более ранних работах ученые обнаружили черные дыры с самым ненасытным аппетитом. В прошлом году, к примеру, они нашли черную дыру, которая каждую секунду съедает столько материи, сколько содержит наша Земля. А в 2018 году исследователи обнаружили обжору, который каждые 48 земных часов пожирает по Солнцу!
О том же, как именно питаются черные дыры, известно не так много. Мы знаем, что материал на пути в дыру скручивается в светящийся «аккреционный диск», который может быть достаточно ярким, чтобы затмить целые галактики. Такие черные дыры называются квазарами. Большинство из них находятся очень-очень далеко — слишком далеко, чтобы можно было разглядеть какие-либо детали диска. У ученых уже было несколько изображений аккреционных дисков вокруг близлежащих черных дыр, но они просто вдыхают космический газ, а не питаются звездами.
Пять лет мерцающих черных дыр
В новой работе команда использовала данные телескопа НАСА ATLAS на Гавайях. Каждую ночь (если позволяет погода) он сканирует все небо, отслеживая приближающиеся к Земле астероиды из внешней тьмы.
Эти сканирования всего неба также обеспечивают еженощную запись свечения голодных черных дыр глубоко на заднем плане. Команда сняла пятилетний фильм о каждой из этих черных дыр, показав ежедневные изменения яркости, вызванные бурлящим и кипящим светящимся водоворотом аккреционного диска. И именно мерцание представляет для ученых особый интерес.
В 1998 году астрофизики Стивен Балбус и Джон Хоули предложили теорию «магнито-вращательной нестабильности», которая описывает, как магнитные поля могут вызывать турбулентность в дисках. Если это правильная идея, то диски должны изменяться равномерно. Они будут мерцать в случайных узорах, которые разворачиваются по мере вращения дисков. Большие диски (в теории) вращаются медленнее и медленнее мерцают, в то время как более узкие и быстрые орбиты меньших дисков мерцают быстрее.
Используя статистические методы, астрономы измерили, насколько сильно свет, излучаемый 5000 наблюдаемыми аккреционными дисками, мерцал с течением времени. Выяснилось, что рисунок мерцания в каждом из них выглядел несколько иначе. Но когда ученые отсортировали их по размеру, яркости и цвету, то обнаружили весьма интригующие паттерны. Они смогли определить орбитальную скорость каждого диска, и как только ее синхронизировали по часам, все мерцающие узоры внезапно стали выглядеть одинаково.
Это универсальное поведение действительно предсказывается теорией «магнито-вращательных неустойчивостей». Следующим шагом будет более внимательное изучение этих тонких различий, чтобы ученые смогли посмотреть, содержат ли они ключ к разгадке ориентации черной дыры. В конце концов, благодаря этим данным будущие измерения черных дыр могут стать еще более точными.