Международная группа учёных под руководством Шепарда С. Доэлмана из Обсерватории Хэйстак Массачусетского технологического института (США) измерила диаметр аккреционного диска вокруг чёрной дыры в центре гигантской эллиптической галактики М87. Сделано это было посредством объединения ряда радиотелескопов в один интерферометр со сверхдлинной базой, названный Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий»).

Цель Event Horizon Telescope, состоящего из четырёх обычных радиотелескопов, расположенных в различных уголках мира, — выявление горизонта событий чёрных дыр при помощи отслеживания окрестностей сверхмассивных чёрных дыр в центре галактик с активными ядрами (АЯ).

Исходя из обнаруженного радиуса аккреционного диска, и он, и его ЧД должны вращаться, причём в одном направлении. (Иллюстрация Avery E. Broderick / University of Waterloo / Perimeter Institute.)

Примерно 10% всех активных ядер галактик демонстрирует релятивистские джеты, порождаемые аккрецией материи на располагающуюся в центре галактик с АЯ сверхмассивную чёрную дыру. Хотя считается, что рождение таких джетов в целом совпадает с теоретической картиной взаимодействия аккреционного диска и чёрной дыры, конкретные детали такого взаимодействия и появления джетов пока неясны.

В данном случае наблюдение велось за галактикой М 87, находящейся в 50 млн световых лет от Млечного Пути. Сильное излучение в диапазоне 1,3 мм исходит непосредственно из окрестностей находящейся в центре М87 сверхмассивной (свыше шести миллиардов масс Солнца) чёрной дыры. Используя радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами (РСДБ), учёные смогли наблюдать свечение материи, находящейся у края горизонта событий — области вокруг ЧД, из которой не может выбраться даже свет.

«Когда объект проваливается через горизонт событий, он пропадает навсегда, — поясняет Шепард Доэлман. — Это дверь [в один конец] из нашей Вселенной. Вы выходите из этой двери и не возвращаетесь».

При помощи РСДБ впервые удалось точно измерить сам аккреционный диск и установить, что он всего в 5,5 раза больше радиуса горизонта событий. Исходя из этой цифры, учёные предполагают, что направление вращения аккреционного диска и самой чёрной дыры совпадает.

Объясняется вывод просто. Если бы аккреционный диск, двигающийся со скоростью, сравнимой со световой, вращался в направлении, противоположном вращению ЧД, это потребовало бы от него значительно большего количества энергии, чем он может иметь по самым оптимистичным расчётам. Чем ближе аккреционный диск к горизонту событий, тем больше энергия, требуемая для вращения — а значит, расстояние в 5,5 радиуса горизонта событий исключает вращение в направлении, противоположном ЧД. Минимально возможное расстояние для диска, вращающегося в направлении, обратном вращению самой ЧД, составляет 9 радиусов горизонта событий, то есть значительно больше наблюдаемого.

Эргосфера (выделена синим) является той самой зоной, где надо «бежать, чтобы оставаться на месте». Если джет порождён механизмом Пенроуза, то он исходит именно оттуда. (Иллюстрация Matthew Francis / Ars Tecnica.)

Почему направление вращения аккреционного диска вообще важно? Сегодня есть две основные теории, объясняющие возникновение и характеристики релятивистских джетов. Энергия последних столь велика, что позволяет создавать струи плазмы над и под галактическими дисками протяжённостью до сотен тысяч световых лет — то есть в несколько раз больше диаметра исходных галактик. Она должна откуда-то браться. И вот здесь-то в научном мире нет согласия. Гипотеза, исходящая из процесса Блэндфорда — Знаека, утверждает, что джет может формироваться либо в окрестностях вращающейся чёрной дыры, окружённой аккреционным диском с магнитным полем (при этом извлекается энергия вращения чёрной дыры), либо при магнитогидродинамическом истечении вещества из внутренних частей аккреционного диска. Такой механизм аналогичен вращению проводящей сферы в магнитном поле, то есть однополярному индуктору.

У «конкурирующего» механизма Пенроуза иная природа. Он затрагивает эргосферу, область между пределом статичности (где ЧД ещё не затягивает в себя окрестные объекты) и горизонтом событий, окружающими вращающуюся чёрную дыру. Внутри эргосферы невозможно находиться в состоянии покоя, но туда можно попасть и снова выбраться оттуда, не покидая нашей Вселенной. По механизму Пенроуза, тела, падающие во вращающуюся чёрную дыру, распадаются в эргосфере на две части. Одна часть падает за горизонт событий (и машет ручкой Вселенной), а другая вылетает обратно во Вселенную, причём вторая часть будет про массе меньше, чем первоначальное тело, а вот его энергия в ряде случаев может оказаться больше первоначальной: ЧД ускорит выброшенное вещество «за свой счёт» (энергетический), замедлив собственное вращение.

Два вышеописанных механизма, «противостоянию» которых скоро исполнится полвека, предполагают совершенно разное объяснение появления джетов, а вопрос о направлении вращения аккреционного диска относительно ЧД способен помочь прояснению того, какой из них ближе к истине.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Science Express.

Подготовлено по материалам MIT News.