Ученые наблюдали рентгеновское излучение, исходящее непосредственно из-за сверхмассивной черной дыры в центре галактики I Zwicky 1, расположенной на расстоянии около 800 миллионов световых лет от нас. Это произошло потому, что огромная гравитация черной дыры искривила траекторию света, который по дуге обогнул объект и достиг нас из-за его спины.
Дэн Уилкинс, астрофизик из Стэнфордского университета, наблюдая за обстановкой вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики I Zwicky на расстоянии 1 800 миллионов световых лет, заметил серию ярких рентгеновских вспышек. Затем телескопы зафиксировали дополнительные вспышки, которые были более слабыми и произошли немного позже. Оказалось, что эти отголоски рентгеновских волн исходят из-за черной дыры. Но, как мы знаем, ничто не может выйти из черной дыры, даже свет.
Результаты наблюдений появились в журнале Nature (DOI: 10.1038/s41586-021-03667-0).
Черные дыры
В центре почти каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Для галактик, похожих на наш Млечный Путь, массы сверхмассивных черных дыр варьируются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов солнечных масс. Для сравнения, масса черной дыры в Млечном Пути составляет пять миллионов солнечных масс, а та, что находится в центре галактики I Цвикки 1, имеет массу в два раза больше. Но есть и галактики с гораздо более массивными черными дырами (их масса может достигать сотен миллионов солнечных масс).
Сверхмассивные черные дыры не излучают и не отражают свет, и астрономы делают вывод об их наличии по поведению звезд и материи в непосредственной близости от них. Эти объекты окружены дисками материи, которая поглощается ими в огромных количествах. Внутренние области таких дисков нагреваются до огромных температур и испускают огромное количество излучения. Эти объекты настолько массивны, что, когда они достигают определенной точки (горизонта событий), скорость убегания — скорость, необходимая для выхода из гравитационного поля объекта — превышает скорость света в вакууме, и даже свет не может покинуть эту область. Что же заметил Уилкинс?
Эхо рентгеновских волн
— Любой свет, который попадает в эту черную дыру, больше не выходит из нее, поэтому мы не должны видеть ничего за черной дырой», — сказал Уилкинс. Но у черных дыр есть много странных особенностей. Один из них сделал это наблюдение возможным. — Мы видим это потому, что черная дыра искривляет пространство, изгибая свет и закручивая вокруг себя магнитные поля, объяснил Уилкинс.
Результаты этого явления лежат в основе общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Согласно ей, массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Свет, который обычно движется по прямой линии, просто становится искривленным при прохождении вблизи такого объекта. Исследование, описанное в публикации, является первым наблюдением света из-за черной дыры.
— Пятьдесят лет назад, когда астрофизики начали рассуждать о том, как может вести себя магнитное поле вблизи черной дыры, они даже не подозревали, что однажды у нас появятся методы прямого наблюдения и мы сможем увидеть общую теорию относительности Эйнштейна в действии», — сказал он. Роджер Блэндфорд, соавтор статьи.
Корона черной дыры
В наблюдениях помогали телескопы XMM-Newton, принадлежащий ЕКА, и NuSTAR, принадлежащий НАСА. Первоначальным мотивом для этого исследования было желание узнать о загадочной особенности, которой обладают некоторые черные дыры, называемой короной. Это поток высокоэнергетических частиц, окружающих горизонт событий. Эта область является источником яркого рентгеновского излучения. Ученые хотели проанализировать это излучение, чтобы составить карту и охарактеризовать черную дыру.
Ведущая теория о том, что такое корона, заключается в том, что это газ, который втягивается в бездну черной дыры. В процессе он нагревается до миллионов градусов, образуя намагниченную плазму, которая циркулирует в аккреционном диске вокруг черной дыры. Магнитные поля, создаваемые плазмой, изгибаются и закручиваются друг вокруг друга, пока, наконец, не разрушаются, высвобождая огромное количество энергии.
— Это магнитное поле, которое закручивается и в конце концов разрывается, нагревает все вокруг черной дыры и производит высокоэнергетические электроны, которые затем производят рентгеновское излучение, сказал Уилкинс.
Когда Уилкинс присмотрелся к происхождению вспышек в данных XMM-Newton и NuSTAR, он увидел серию более мелких вспышек. Ученые определили, что это были те же рентгеновские вспышки, но из-за массивного объекта, отражающие рентгеновские волны, отраженные от плазменного диска.
