Вчені знайшли місце, де матерія «зливається» в чорні діри

Вчені вперше підтвердили, що сама тканина простору-часу «останньо занурюється» на межі чорної діри.  Спостереження цієї області занурення навколо чорних дір було зроблено астрофізиками з Оксфордського університету фізики, і це допомагає підтвердити ключове передбачення теорії гравітації Альберта Ейнштейна 1915 року: загальної теорії відносності. 

Оксфордська команда зробила відкриття, зосередившись на регіонах, що оточують чорні діри зіркової маси в подвійних системах із зірками-компаньйонами, розташованими відносно близько до Землі. Дослідники використовували дані рентгенівського випромінювання, зібрані з низки космічних телескопів, у тому числі Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) NASA та Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER),  установленого на Міжнародній космічній станції .

Ці дані дозволили їм визначити долю гарячого іонізованого газу та плазми, знятої із зірки-компаньйона, яка остаточно занурюється на самий край пов’язаної з нею чорної діри. Отримані дані показали, що ці так звані зони занурення навколо чорної діри є місцем розташування деяких із найсильніших точок гравітаційного впливу, які будь-коли спостерігалися в нашій галактиці Чумацький Шлях .

«Це перший погляд на те, як плазма, відшарована від зовнішнього краю зірки, зазнає свого остаточного падіння в центр чорної діри, процес, що відбувається в системі приблизно за 10 000 світлових років від нас», — керівник групи з фізики Оксфордського університету. — йдеться в заяві вченого Ендрю Маммері . «Теорія Ейнштейна передбачала, що це остаточне падіння буде, але це перший раз, коли ми змогли продемонструвати, що це відбувається.

«Подумайте про це як про річку, яка перетворюється на водоспад – досі ми дивилися на річку. Це наш перший погляд на водоспад».

Звідки береться падіння чорної діри?

Загальна теорія відносності Ейнштейна припускає, що об’єкти з масою спричиняють деформацію самої тканини простору й часу, об’єднаної в єдину чотиривимірну сутність під назвою «простір-час». Гравітація виникає в результаті кривизни.

Хоча загальна теорія відносності працює в 4D, її можна нечітко проілюструвати за допомогою грубої двовимірної аналогії. Уявіть, що кулі, маси яких зростають, розміщуються на натягнутому гумовому листі. М’яч для гольфу спричинив би крихітну, майже непомітну вм’ятину; м’яч для крикету призведе до більшої вм’ятини; а куля для боулінгу — величезна вм’ятина. Це аналогічно місяцям, планетам і зіркам, які «врізають» 4D-простір-час. Зі збільшенням маси об’єкта зростає і спричинена ними кривизна, а отже, посилюється їх гравітаційний вплив. Чорна діра була б схожа на гарматне ядро ​​на тому ж гумовому листі. 

З масами, еквівалентними десяткам або навіть сотням сонць, стиснених у ширину, наближену до земної, кривизна простору-часу та гравітаційний вплив чорних дір із зірковою масою можуть стати досить екстремальними. З іншого боку, надмасивні чорні діри — це зовсім інша історія. Вони надзвичайно масивні, з масами, еквівалентними мільйонам або навіть мільярдам сонць, що затьмарює навіть їхні зіркові маси. 

Повертаючись до загальної теорії відносності, Ейнштейн припустив, що це викривлення простору-часу призводить до іншої цікавої фізики. Наприклад, за його словами, має бути точка за межами чорної діри, в якій частинки не зможуть рухатися по круговій або стабільній орбіті. Натомість матерія, яка потрапляє в цю область, буде занурюватися до чорної діри з близькосвітловою швидкістю.

Метою астрофізиків протягом деякого часу було розуміння фізики матерії в цій гіпотетичній області занурення чорної діри. Щоб вирішити цю проблему, оксфордська команда дослідила, що відбувається, коли чорні діри існують у подвійній системі зі «звичайною» зіркою.

Якщо вони знаходяться досить близько або якщо ця зірка трохи роздута, гравітаційний вплив чорної діри може відтягнути зоряний матеріал. Оскільки ця плазма має кутовий момент, вона не може впасти прямо на чорну діру, тому натомість вона утворює сплощену хмару, що обертається навколо чорної діри, яка називається акреційним диском.

З цього акреційного диска речовина поступово надходить до чорної діри. Згідно з моделями живлення чорних дір, повинна існувати точка, яка називається внутрішньою стабільною круговою орбітою (ISCO) — остання точка, в якій матерія може стабільно обертатися в акреційному диску. Будь-яка матерія поза цим перебуває в «області занурення», і вона починає неминуче спускатися до пащі чорної діри. Дискусія про те, чи можна коли-небудь виявити цю область занурення, була вирішена, коли оксфордська команда виявила викиди, що знаходяться за межами ISCO акреційних дисків навколо подвійної чорної діри Чумацького Шляху під назвою MAXI J1820+070.

Розташований приблизно в 10 000 світлових років від Землі з масою близько восьми сонць, компонент чорної діри MAXI J1820+070 витягує матеріал зі свого зоряного компаньйона, випускаючи подвійні струмені зі швидкістю приблизно 80% від швидкості світла; він також створює потужне рентгенівське випромінювання.

Команда виявила, що спектр рентгенівського випромінювання MAXI J1820+070 у «м’якому» спалаху, який представляє випромінювання від акреційного диска, що оточує обертову чорну діру Керра — повний акреційний диск, включаючи занурення. область.

Дослідники кажуть, що цей сценарій являє собою перше надійне виявлення випромінювання з області занурення на внутрішній край акреційного диска чорної діри; вони називають такі сигнали «викидами всередині ISCO». Ці випромінювання всередині ISCO підтверджують точність загальної теорії відносності в описі регіонів безпосередньо навколо чорних дір.

Щоб продовжити це дослідження, окрема команда з Оксфордського факультету фізики співпрацює з європейською ініціативою для створення Африканського міліметрового телескопа. Цей телескоп має розширити здатність вчених знімати прямі зображення чорних дір і дозволити досліджувати занурювані області більш віддалених чорних дір.

«Що справді захоплююче, так це те, що в галактиці є багато чорних дір, і тепер у нас є потужна нова техніка для їх використання для вивчення найсильніших із відомих гравітаційних полів», — підсумував Маммері.