Ученые МГУ изобрели новый метод «взвешивания» межгалактических черных дыр

Астрономы МГУ нашли новый способ оценки массы сверхмассивных черных дыр за пределами нашей галактики, даже если эти дыры почти не проявляют себя. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy and Astrophysics.

Черные дыры — гипотетические объекты, чье гравитационное притяжение настолько велико, что их не может покинуть даже свет. Существование черных дыр следует из решений уравнений Эйнштейна. Астрономы неоднократно наблюдали результат взаимодействия черных дыр с окружающим веществом, например, падающим на них газом.

«Если черная дыра поглощает вещество, то возникает так называемая аккреция, из-за трения и нагрева возникает излучение, и опосредованно мы видим этот объект и можем утверждать, что это черная дыра, — пояснила ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Елена Сейфина. — Если же черные дыры не имеют такой подпитки, то мы можем даже не подозревать об их существовании».

Чтобы понять природу подобных дремлющих черных дыр, астрономы под руководством Елены Сейфиной 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 ученые посчитали, что увидели гамма-рентгеновский всплеск (GRB — gamma-ray burst), подобный тем, что наблюдают в отдаленных галактиках в самой жесткой части электромагнитного спектра. Однако обычно излучение таких вспышек пропадает через день-два, чего не наблюдалось в случае с Swift J1644+57.

«Инструмент BAT на борту спутника Swift навелся на вплеск и увидел, что спустя два дня он стал еще более ярким. Всего вспышка наблюдалась два года, после чего погасла», — пояснила Сейфина.

Астрономы исключили объект из списка GRB и стали подозревать, что наблюдают приливное разрушение звезды сверхмассивной черной дырой. Звезда, пролетая на небольшом расстоянии от черной дыры (в пределах трех гравитационных радиусов), подвергается приливному разрушению. При этом ее вещество не сразу падает на дыру, а образует временный аккреционный диск, который начинает ярко светиться, что и можно заметить с Земли.

Ранее единственным способом измерения массы черной дыры в центре таких аккреционных дисков была оценка максимальной светимости диска в предположении, что в диске достигнуто равновесие между давлением электромагнитного излучения и гравитационными силами.

В своей докторской диссертации Елена Сейфина ранее наблюдала за аналогичными известными вспышками (с участием черных дыр) как внутри нашей галактики, так и за ее пределами и выяснила, как меняется наклон рентгеновского спектра во время нарастания светимости. Были установлены особенности спектра, которые явно указали на наличие в этих объектах черных дыр. Ученые предположили, что если формы спектров аналогичных вспышек похожи, то похожи и процессы, происходящие в них, а разница в спектрах определяется лишь различным расстоянием до объектов.

Заметив сходство между треками (зависимость наклона спектра от темпа аккреции) известных объектов и полученными треками у новых внегалактических вспышек, ученые предположили, что они также вызваны раздиранием звезд черными дырами.

Это позволило «взвесить» невидимые черные дыры по-новому, сопоставляя их с галактическими черными дырами известной массы.

Таким образом, 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 объекте Swift J1644+57 действительно сидела сверхмассивная черная дыра массой 7 × 106 масс Солнца. Это действительно объект, который мы не видим, но который обеспечил высокую светимость за счет образования аккреционного диска вокруг себя», — пояснила Сейфина.

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

Картинка 1. Рентгеновское изображение участка неба в поле зрения источника Swift J1644+57 во время его вспышки, наблюдавшейся 4 апреля 2011 г. детектором HRC с борта спутника Chandra (в рентгеновском диапазоне 0.3 – 10 кэВ). Время экспозиции составляет 15 килосекунд. Эволюция изображения этого же источника от начала вспышки до ее завершения, одновременно наблюдавшаяся другим орбитальным телескопом XRT с борта спутника Swift в том же рентгеновском диапазоне.