Как взвесить черную дыру «на глаз»

Галактика Дева А, или М87, и ее джет. Фото NASA/JPL-Caltech/IPAC

Сотрудники лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной Московского физико-технического института предложили новый способ косвенного измерения массы черной дыры, параллельно подтвердив ее существование. Метод успешно протестировали на активной галактике Мессье 87. 

Активные ядра галактик – одни из самых ярких и загадочных объектов звездного неба. Явление активности заключается в выбросе галактикой тонкой длинной струи вещества и энергии – релятивистского джета – и не может быть объяснено влиянием звезд, из которых галактика состоит. Считается, что активные галактики содержат некий «мотор», ядро. Пока неизвестно достоверно о природе этих объектов, но один из кандидатов на роль активного ядра – вращающаяся черная дыра.

Объект Мессье 87, находящийся в созвездии Девы, – ближайшая к нам и наиболее изученная активная галактика. Постоянные наблюдения за ним ведутся с 1781 года – тогда объект был открыт как туманность. Однако по мере накопления сведений туманность начала принимать очертания и с обнаружением джета была признана активной галактикой. Граница этого джета была измерена настолько тщательно, что ученые увидели: она неоднородна по длине, а меняет форму с параболической на коническую. Тем, что граница джета состоит из отрезков двух разных кривых, и воспользовались астрофизики. По расстоянию от центра ядра до точки излома им удалось косвенно измерить массу и спин черной дыры. Ученые пытаются описывать струйный выброс как течение замагниченной жидкости. В таком случае форма струи определяется электромагнитным полем вокруг. Оно, в свою очередь, зависит от разных факторов: скоростей и зарядов частиц джета, электромагнитных токов внутри струи и аккреции, «всасывания» вещества черной дырой, из-за чего у нее появляется собственное магнитное поле. Сложное сплетение характеристик и физических явлений приводит к наблюдаемому излому. Существует теоретическая модель, предсказывающая излом. Подбирая массу черной дыры в модели таким образом, чтобы результат компьютерного моделирования совпал с наблюдаемой формой выброса, ученые одновременно получили новую оценку массы черной дыры, новый способ измерения, а также подтверждение гипотез теоретической модели.

Ведущий автор работы Елена Нохрина, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, подчеркивает: «Главный результат нашей работы – новый независимый метод оценки массы черной дыры. И хотя его точность сравнима с точностью уже существовавших методов, его преимущество в том, что он приближает нас к конечной цели – уточнению параметров центрального «двигателя» для более глубокого понимания природы его активности».