Астрофизика

Новая методика оценки массы черной дыры

Художническое представление активного галактического ядра (AGN) в центре галактики. Предоставлено: NASA / CXC / M.Weiss.

Черные дыры - одна из самых интригующих и внушающих страх сил природы. Они также являются одними из самых загадочных из-за того, что правила обычной физики нарушаются в их присутствии. Несмотря на десятилетия исследований и наблюдений, мы еще многое о них не знаем. Фактически, до недавнего времени астрономы никогда не видели изображения черной дыры и не могли контролировать свою массу.

Тем не менее группа физиков из Московского физико-технического института (МФТИ) недавно объявила, что они разработали способ косвенного измерения массы черной дыры, в то же время подтверждая ее существование. В недавнем исследовании они показали, как они тестировали этот метод на недавно появившейся сверхмассивной черной дыре в центре активной галактики Мессье-87 .

Исследование появилось в августовском выпуске Ежемесячных уведомлений Королевского астрономического общества. Помимо исследователей из МФТИ в состав группы входили члены Объединенного института VLBI ERIC (JIVE), расположенного в Нидерландах , Института астрономии и астрофизики Academia Sinica в Тайване и обсерватории Mizusawa VLBI NOAJ в Японии.

В течение десятилетий астрономы знали, что большинство массивных галактик имеют сверхмассивную черную дыру (SMBH) в их центре. Присутствие этой SMBH приводит к значительной активности в ядре, где газ и пыль попадают в аккреционный диск и ускоряются до скоростей, которые заставляют их излучать свет, а также радио, микроволновое, рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Для некоторых галактик количество излучения, излучаемого областью ядра, настолько яркое, что оно фактически подавляет свет, исходящий от всех звезд на диске вместе взятых. Они известны как галактики с активными галактическими ядрами (AGN), поскольку они имеют активные ядра, а другие галактики сравнительно «тихие». Другим характерным признаком активности галактики являются длинные пучки перегретого вещества.

Эти «релятивистские джеты», которые могут простираться на миллионы световых лет наружу, называются так потому, что вещество в них ускоряется до доли скорости света. Хотя эти струи еще не до конца понятны, в настоящее время все согласны с тем, что они создаются неким «моторным эффектом», вызванным быстро вращающимся SMBH.

Хорошим примером активной галактики с релятивистской струей является Мессье 87 (он же Дева А), сверхгигантская галактика, расположенная в направлении созвездия Дева. Эта галактика является ближайшей к Земле активной галактикой и, следовательно, одной из наиболее изученных. Первоначально обнаруженный в 1781 году Шарлем Мессье (который принял его за туманность), с тех пор его регулярно изучают. К 1918 году его оптическая струя стала первой в своем роде.

Благодаря его близости, астрономы смогли тщательно изучить струю Мессье-87 - составить карту ее структуры и скоростей плазмы, а также измерить температуру и плотность частиц вблизи струи. Границы струи были детально изучены, и исследователи обнаружили, что она была однородной по своей длине и изменяла форму по мере ее расширения (переход от параболического к коническому).

Все эти наблюдения позволили астрономам проверить гипотезы относительно структуры активных галактик и взаимосвязи между изменениями формы струи и влиянием черной дыры в ядре галактики. В этом случае международная исследовательская группа воспользовалась этим соотношением и для определения массы M87s SMBH.

Команда также опиралась на теоретические модели, которые предсказывают разрыв струи, что позволило им создать модель, в которой масса SMBH точно воспроизводила бы наблюдаемую форму струи M87. Измеряя ширину струи и расстояние между ядром и разрывом его формы, они также обнаружили, что граница струи M87 состоит из двух сегментов с двумя отличительными кривыми.

В конце концов, сочетание теоретических моделей, наблюдений и компьютерных вычислений позволило команде получить косвенное измерение массы и скорости вращения черной дыры. Это исследование не только дает новую модель для оценки черных дыр и новые средства измерения для струй, но и подтверждает гипотезы, лежащие в основе структуры струй.

Первое фото Черной дыры
Первое фото Черной дыры

По существу, результаты команды описывают струю как поток намагниченной жидкости, где форма определяется электромагнитным полем в ней. Это, в свою очередь, зависит от таких вещей, как скорость и заряд частиц струи, электрический ток внутри струи и скорость, с которой SMBH аккумулирует вещество из окружающего его диска.

Взаимодействие всех этих факторов приводит к наблюдаемому разрыву в форме струи, который затем может быть использован для экстраполяции массы SMBH и скорости ее вращения. Елена Нохрина, заместитель заведующего лабораторией МФТИ, участвовавшего в исследовании, и ведущий автор доклада группы, описывает метод, который они разработали следующим образом:

«Новый независимый метод оценки массы и спина черной дыры является ключевым результатом нашей работы. Хотя его точность сравнима с точностью существующих методов, она имеет преимущество в том, что приближает нас к конечной цели. А именно, уточнение параметров ядра «двигателя», чтобы глубже понять его природу».

Благодаря наличию сложных инструментов для изучения SMBH (таких как телескоп Event Horizon) и космических телескопов следующего поколения, которые скоро будут введены в эксплуатацию, эта новая модель не займет много времени для тщательного тестирования. Хорошим кандидатом был бы Стрелец А *, SMBH в центре нашей галактики, который, по оценкам, составляет от 3,5 млн до 4,7 млн масс Солнца.

В дополнение к установлению более точных ограничений на эту массу, будущие наблюдения могут также определить, насколько активно (или неактивно) ядро нашей галактики.

Источник: МФТИ

Подписывайтесь на нас
Back to top button