Новый способ оценки массы сверхмассивных черных дыр за пределами нашей галактики предложили астрономы МГУ.

Черные дыры — космические тела, у которых гравитационное притяжение настолько велико, что от них не может убежать даже свет.  Их существование вытекает из современной теории гравитации – общей теории относительности, основоположником которой был Альберт Эйнштейн.

Зависимость яркости (по вертикали) рентгеновского излучения вспышки Swift J1644+57 от времени (по горизонтали, в днях). (Изображение www.nasa.gov)

Рентгеновское изображение вспышки Swift J1644+57 4 апреля 2011 г. детектором HRC с борта спутника Chandra.

Падение вещества звезды на черную дыру с образованием аккреционного диска.

Несмотря на то, что наличие черных дыр в природе строго не доказано, у астрономов есть основания полагать, что подобные объекты все же существуют.  Например, они неоднократно наблюдали явления, сопровождающиеся огромным выделением энергии, которые можно объяснить лишь взаимодействием массивных черных дыр с падающим на них окружающим веществом. При этом из-за трения и нагрева вещества возникает излучение, позволяющее опосредованно «увидеть» черную дыру.

Если же аккреции – падения вещества на космическое тело благодаря его силе притяжения – нет,  то узнать о существовании черной дыры крайне затруднительно. Исследователи из Астрономического института им Штернберга МГУ под руководством Елены Сейфиной заинтересовались подобными «дремлющими» сверхмассивными черными дырами за пределами нашей галактики и предложили метод оценки их массы, даже если они почти не проявляют себя. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy and Astrophysics.

Все началось с того, что астрономы обратили внимание на несколько вспышек от внегалактических источников. Одна из них, Swift J1644+57, наблюдалась в 2011 году сразу несколькими космическими обсерваториями (RXTE, Swift и Suzaku) в рентгеновском и гамма-диапазоне.

Изначально исследователи думали, что увидели гамма-рентгеновский всплеск, какие уже наблюдали в отдаленных галактиках. Однако обычно излучение таких вспышек пропадает через день-два, в то время как в этом  случае спустя два дня всплеск стал еще более ярким. Всего вспышка наблюдалась два года, после чего погасла.

Астрономы стали подозревать, что наблюдают приливное разрушение звезды, пролетающей на небольшом расстоянии от сверхмассивной черной дыры (в пределах трех гравитационных радиусов).  Звезда разрушается из-за того, что силы притяжения значительно различаются на ближней и дальней к черной дыре стороне звезды. При этом ее вещество не сразу падает на дыру, а образует временный аккреционный диск, который начинает ярко светиться, что и видно на Земле.

Ранее Елена Сейфина наблюдала за подобными вспышками с участием известных объектов, которые считаются черными дырами, как внутри нашей галактики, так и за ее пределами и выяснила, как меняется наклон рентгеновского спектра (графика зависимости интенсивности излучения от частоты) во время нарастания светимости.

Она установила особенности спектра, которые явно указывали на наличие черных дыр. Астрономы предположили, что если формы спектров аналогичных вспышек похожи, то похожи и процессы, происходящие в них. Значит, они также вызваны раздиранием звезд черными дырами. Это позволяет обнаруживать новые объекты – кандидаты в черные дыры.

Массы уже наблюдаемых черных дыр астрономы определяют по оценке максимальной светимости аккреционных дисков, образующихся вокруг них из падающего вещества, полагая, что в диске достигнуто равновесие между давлением электромагнитного излучения и гравитационными силами.

Сравнение треков (зависимость наклона спектра от темпа аккреции) известных объектов с треками, полученными для новых внегалактических вспышек, позволило исследователям «взвесить» невидимые черные дыры. Новый метод «взвешивания» дремлющих внегалактических черных дыр позволяет использовать данные по известным галактическим объектам, таким, например, как хорошо и давно изученный астрономами объект Лебедь X-1 с черной дырой в центре.  Расчеты показали, что в вспышка Swift J1644+57 действительно связана со сверхмассивной черной дырой массой 7×10⁶ масс Солнца.

Если ранее для оценки масс черных дыр использовались наблюдения и в ультрафиолете, то новый способ позволяет ограничиться рентгеновским диапазоном.

Астрономы надеются, что универсальность нового способа поможет в оценке множества масс разнообразных внегалактических объектов, таких, как ядра сейфертовских галактик и другие, когда традиционные методы принципиально не работают.

По материалам  пресс-службы МГУ