Телескоп Spitzer показывает точное время танца черной дыры

Это изображение показывает две массивные черные дыры в галактике OJ 287. Меньшая черная дыра вращается вокруг большей, которая также окружена газовым диском. Когда маленькая черная дыра врезается в диск, она дает вспышку ярче 1 триллиона звезд.
Это изображение показывает две массивные черные дыры в галактике OJ 287. Меньшая черная дыра вращается вокруг большей, которая также окружена газовым диском. Когда маленькая черная дыра врезается в диск, она дает вспышку ярче 1 триллиона звезд.

Черные дыры не являются стационарными в космосе; на самом деле они могут быть довольно активными в своих движениях. Но поскольку они абсолютно темные и их нельзя наблюдать непосредственно, их нелегко изучать. Ученые наконец выяснили точное время сложного танца между двумя огромными черными дырами, раскрыв скрытые детали о физических характеристиках этих загадочных космических объектов.

В галактике OJ 287 находится одна из крупнейших в мире черных дыр, масса которой в 18 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца. На орбите этого бегемота находится еще одна черная дыра, масса которой в 150 миллионов раз превышает массу Солнца. Дважды каждые 12 лет маленькая черная дыра врезается в огромный газовый диск, окружающий ее более крупного спутника, создавая вспышку света, ярче, чем триллион звезд – даже ярче, чем вся галактика Млечный Путь. Свету требуется 3,5 миллиарда лет, чтобы достичь Земли.

Но орбита меньшей черной дыры является продолговатой, а не круглой, и она нерегулярна: она смещается с каждой петлей вокруг большей черной дыры и наклоняется относительно диска газа. Когда меньшая черная дыра врезается в диск, она создает два расширяющихся пузырька горячего газа, которые удаляются от диска в противоположных направлениях, и менее чем за 48 часов яркость системы увеличивается в четыре раза.

Из-за неправильной орбиты черная дыра сталкивается с диском в разное время в течение каждой 12-летней орбиты. Иногда вспышки появляются всего через год; в других случаях целых 10 лет. Попытки смоделировать орбиту и предсказать, когда возникнут вспышки, заняли десятилетия, но в 2010 году ученые создали модель, которая могла бы предсказать их возникновение с точностью до одной-трех недель. Они продемонстрировали, что их модель была правильной, предсказав появление вспышки в декабре 2015 года с точностью до трех недель.

Затем в 2018 году группа ученых во главе с Лэнкесваром Дей, аспирантом Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индия, опубликовала статью с еще более подробной моделью, которая, как они утверждали, сможет предсказать время будущих вспышек. с точностью до четырех часов. В новом исследовании, опубликованном в Astrophysical Journal Letters , эти ученые сообщают, что их точный прогноз вспышки, произошедшей 31 июля 2019 года, подтверждает, что модель верна.

Наблюдения за этой вспышкой почти не произошло. Поскольку OJ 287 находился на противоположной стороне Солнца от Земли, вне поля зрения всех телескопов на земле и на околоземной орбите, черная дыра не возвращалась бы к этим телескопам до начала сентября, задолго до вспышки утрачен. Но эта система была в поле зрения космического телескопа НАСА Spitzer, который агентство сняло с эксплуатации в январе 2020 года.

После 16 лет работы орбита космического корабля разместила его на расстоянии 158 миллионов миль (254 миллионов километров) от Земли, что более чем в 600 раз превышает расстояние между Землей и Луной. С этой точки зрения Спитцер мог наблюдать за системой с 31 июля (в тот же день, когда ожидалась вспышка) до начала сентября, когда OJ 287 станет видимым для телескопов на Земле.

«Когда я впервые проверил видимость OJ 287, я был потрясен, обнаружив, что он стал видимым Спитцеру в тот день, когда, как прогнозировалось, произойдет следующая вспышка», – сказал Сеппо Лэйн, научный сотрудник Caltech / IPAC в Пасадене. , Калифорния, который наблюдал за наблюдениями Спитцера за системой. «Было очень повезло, что мы смогли запечатлеть пик этой вспышки с помощью Спитцера, потому что никакие другие инструменты, созданные человеком, не могли достичь этого умения в данный конкретный момент времени».

Рябь в космосе

Ученые регулярно моделируют орбиты небольших объектов в нашей солнечной системе, например, кометы, вращающиеся вокруг Солнца, принимая во внимание факторы, которые наиболее существенно влияют на их движение. Для этой кометы гравитация Солнца обычно является доминирующей силой, но гравитационное притяжение соседних планет также может изменить свой путь.

Определить движение двух огромных черных дыр гораздо сложнее. Ученые должны учитывать факторы, которые не могут заметно повлиять на более мелкие объекты; Главными среди них являются так называемые гравитационные волны. Теория общей относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию пространства массой объекта. Когда объект движется в пространстве, искажения превращаются в волны. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, но они не наблюдались непосредственно до 2015 года с помощью лазерной интерферометрической гравитационной волновой обсерватории (LIGO).

Чем больше масса объекта, тем больше и энергичнее гравитационные волны, которые он создает. В системе OJ 287 ученые ожидают, что гравитационные волны будут настолько большими, что они могут унести достаточно энергии от системы, чтобы измеримо изменить орбиту меньшей черной дыры – и, следовательно, синхронизацию вспышек.

В то время как предыдущие исследования OJ 287 учитывали гравитационные волны, модель 2018 года является самой детальной из всех. Благодаря включению информации, полученной в результате обнаружения гравитационных волн LIGO, он уточняет окно, в котором вспышка может произойти всего лишь до 1 1/2 дня.

Чтобы еще больше уточнить прогноз вспышек до четырех часов, ученые подробно описали физические характеристики более крупной черной дыры. В частности, новая модель включает в себя то, что называется «без волос» теорема о черных дырах.

Опубликованная в 1960-х годах группой физиков, в которую вошел Стивен Хокинг, эта теорема делает прогноз о природе «поверхностей» черных дыр. Хотя черные дыры не имеют настоящих поверхностей, ученые знают, что вокруг них есть граница, за которой ничто – даже свет – не может вырваться. Некоторые идеи утверждают, что внешний край, называемый горизонтом событий, может быть неровным или нерегулярным, но теорема об отсутствии волос гласит, что у «поверхности» нет таких особенностей, даже волос (название теоремы было шуткой).

Другими словами, если вырезать черную дыру посередине вдоль оси вращения, поверхность будет симметричной. (Ось вращения Земли почти идеально выровнена с северным и южным полюсами. Если вы разрезаете планету пополам вдоль этой оси и сравниваете две половины, вы обнаружите, что наша планета в основном симметрична, хотя такие особенности, как океаны и горы, создают некоторые небольшие вариации между половинами.)

Нахождение симметрии

В 1970-х годах почетный профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн описал, как этот сценарий – спутник, вращающийся вокруг массивной черной дыры, – потенциально может показать, была ли поверхность черной дыры гладкой или неровной. Правильно прогнозируя орбиту меньшей черной дыры с такой точностью, новая модель поддерживает теорему «без волоска», что означает правильное наше базовое понимание этих невероятно странных космических объектов. Другими словами, система OJ 287 поддерживает идею, что поверхности черных дыр симметричны вдоль их осей вращения.

Так как же гладкость поверхности массивной черной дыры влияет на временную привязку орбиты меньшей черной дыры? Эта орбита определяется в основном массой большей черной дыры. Если он станет более массивным или потеряет часть своего веса, это изменит размер орбиты меньшей черной дыры. Но распределение массы также имеет значение. Массивная выпуклость на одной стороне большей черной дыры исказит пространство вокруг нее иначе, чем если бы черная дыра была симметричной. Тогда это изменит путь меньшей черной дыры, когда она будет вращаться вокруг своего спутника, и измеримо изменит время столкновения черной дыры с диском на этой конкретной орбите.

«Для ученых, изучающих черные дыры, важно, чтобы мы доказали или опровергли теорему об отсутствии волос. Без нее мы не можем доверять тем черным дырам, которые предусмотрены Хокингом и другими, вообще существуют», – сказал Маури Вальтонен, астрофизик из Университета Турку в Финляндия и соавтор на бумаге.

Научные данные Spitzer продолжают анализироваться научным сообществом через архив данных Spitzer, расположенный в Инфракрасном научном архиве, размещенном в IPAC в Калтехе в Пасадене. JPL управляла операциями миссии Спитцер для Управления научной миссии НАСА в Вашингтоне. Научные работы проводились в Научном центре Спитцер в IPAC в Калтехе. Космические операции базировались в Lockheed Martin Space в Литтлтоне, штат Колорадо. Caltech управляет JPL для НАСА.

Для получения дополнительной информации о Spitzer, посетите:


Источник истории:

Материалы предоставлены NASA / Лаборатория реактивного движения . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Связанные мультимедиа :


Ссылка на журнал :

  1. Сеппо Лэйн, Ланкесвар Дей, Маури Вальтонен, А. Гопакумар, Станислав Зола, С. Комосса, Марк Киджер, Паули Пихайоки, Хосе Л. Гомес, Даниэль Катон, Стефано Циприни, Марек Дроздз, Космас Газеас, Вира Годунова, Шир Хильдебрандт, Рене Худек, Хелен Джермак, Альберт К. Х. Конг, Гарри Лехто, Алексиос Лиакос, Кацура Мацумото, Маркус Муграуэр, Тапио Пурсимо, Даниэль Э. Рейхарт, Андрей Симон, Михал Сивак, Эда Сонбас. Спитцер Наблюдения за предсказанной вспышкой Эддингтона с Блазара О.Дж. 287 . Астрофизический Журнал , 2020; 894 (1): L1 DOI: 10,3847 / 2041-8213 / ab79a4