Черные дыры - странные вещи даже по меркам астрономов. Их масса так велика, что искривляет пространство вокруг себя так туго, что ничто не может ускользнуть, даже сам свет.
И все же, несмотря на свою знаменитую черноту, некоторые черные дыры вполне видны. Газ и звезды, которые поглощают эти галактические вакуумы, всасываются в светящийся диск перед тем, как отправиться в дыру в один конец, и эти диски могут сиять ярче, чем целые галактики.
Еще более странно, этичерные дыры мерцают. Яркость светящихся дисков может меняться изо дня в день, и никто точно не знает, почему.
Мы присоединились к усилиям НАСА по защите от астероидов, чтобы в течение пяти лет наблюдать за более чем 5000 самых быстрорастущих черных дыр в небе, пытаясь понять, почему происходит это мерцание. В статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy 2 февраля 2023 года, мы сообщили наш ответ: это своего рода турбулентность, вызванная трением и интенсивными гравитационными и магнитными полями.
Чёрные дыры - гигантские пожиратели звёзд
Мы изучаем сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах галактик и имеют массу, равную миллионам или миллиардам солнц.
Наша собственная галактика Млечный Путь имеет в центре одного из этих гигантов с массой примерно в 4 миллиона солнц. По большей части 200 миллиардов или около того звезд, составляющих остальную часть галактики (включая наше Солнце), счастливо вращаются вокруг черной дыры в центре.
Однако не во всех галактиках все так мирно. Когда пары галактик притягиваются друг к другу под действием гравитации, многие звезды могут оказаться притянутыми слишком близко к черной дыре своей галактики. Это плохо кончается для звезд: их разрывают на части и пожирают.
Мы уверены, что это должно было произойти в галактиках с черными дырами, которые весят столько же, сколько миллиард солнц, потому что мы не можем себе представить, как еще они могли стать такими большими. Это также могло произойти в Млечном Пути в прошлом.
Черные дыры также могут питаться более медленным и нежным образом: всасывая облака газа, выброшенного стареющими звездами, известными как красные гиганты.
Время питания черной дыры
В нашем исследовании мы внимательно изучили процесс питания среди 5000 самых быстрорастущих черных дыр во Вселенной.
В более ранних исследованиях мы обнаружили черные дыры с самым ненасытным аппетитом. В 2022 году мы нашли черную дыру, которая каждую секунду поглощает материю, равную Земле. В 2018 году мы обнаружили еще одну черную дыру, которая съедает все солнце каждые 48 часов.
Но у нас есть много вопросов об их фактическом поведении при кормлении. Мы знаем, что материал на пути в дыру скручивается в светящийся «аккреционный диск», который может быть достаточно ярким, чтобы затмить целые галактики. Эти явно питающиеся черные дыры называются квазарами.
Большинство этих черных дыр находятся очень-очень далеко - слишком далеко, чтобы мы могли увидеть какие-либо детали дисков. У нас есть несколько изображений аккреционных дисков вокруг черных дыр, но они просто вдыхают космический газ, а не питаются звездами.
Пять лет мерцающих черных дыр
В нашей последней работе мы использовали данные телескопа NASA ATLAS на Гавайях. Он сканирует все небо каждую ночь (если позволяет погода), отслеживая приближающиеся к Земле астероиды из внешней тьмы.
Эти сканирования всего неба также обеспечивают еженощную запись свечения голодных черных дыр глубоко на заднем плане. Наша команда сняла пятилетний фильм о каждой из этих черных дыр, показав ежедневные изменения яркости, вызванные бурлящим и кипящим светящимся водоворотом аккреционного диска.
Мерцание этих черных дыр может рассказать нам кое-что об аккреционных дисках.
В 1998 году астрофизики Стивен Бальбус и Джон Хоули предложили теорию «магнито-вращательной нестабильности», которая описывает, как магнитные поля могут вызывать турбулентность в дисках. Если это правильная идея, то диски должны шипеть равномерно. Они будут мерцать в случайных узорах, которые разворачиваются по мере того, как диски вращаются. Большие диски вращаются медленнее с медленным мерцанием, в то время как более узкие и быстрые орбиты меньших дисков мерцают быстрее.
Но смогут ли диски в реальном мире доказать это просто, без каких-либо дополнительных сложностей? (Возможно, это отдельный вопрос, подходит ли слово «простой» для турбулентности в сверхплотной, неконтролируемой среде, окруженной интенсивными гравитационными и магнитными полями, где само пространство искривлено до предела.).
Используя статистические методы, мы измерили, сколько света, излучаемого нашими 5000 дисками, мерцало с течением времени. Характер мерцания в каждом из них выглядел несколько иначе.
Но когда мы отсортировали их по размеру, яркости и цвету, то стали видеть интригующие узоры. Мы смогли определить орбитальную скорость каждого диска, и как только вы настроили часы на скорость диска, все мерцающие узоры стали выглядеть одинаково.
Это универсальное поведение действительно предсказывается теорией «магнито-вращательных неустойчивостей». Это успокаивало. Это означает, что эти умопомрачительные водовороты в конце концов «просты».
И это открывает новые возможности. Мы думаем, что оставшиеся тонкие различия между аккреционными дисками возникают потому, что мы смотрим на них с разных сторон.
Следующий шаг - более внимательно изучить эти тонкие различия и посмотреть, содержат ли они подсказки для определения ориентации черной дыры. В конце концов, наши будущие измерения черных дыр могут стать еще более точными.
Кристиан Вольф - адъюнкт-профессор астрономии и астрофизики Австралийского национального университета. Он получает финансирование от Австралийского исследовательского совета (ARC) и является членом Астрономического общества Австралии (ASA).