Материя, падающая в черную дыру, нагревается, когда она погружается к своей гибели. Прежде чем он войдет в черную дыру и навсегда исчезнет из виду, он может достичь миллионов градусов. При такой температуре он излучает рентгеновские лучи в космос.
В 1980-х годах астрономы-первопроходцы, использующие первые рентгеновские телескопы, обнаружили, что рентгеновские лучи, исходящие от черных дыр звездной массы в нашей галактике, мерцают. Изменения следуют установленному шаблону.
Когда начинается мерцание, для завершения затемнения и повторного повышения яркости может потребоваться 10 секунд. По мере того, как идут дни, недели, а затем и месяцы, период сокращается, пока колебание не происходит 10 раз в секунду. Затем мерцание внезапно прекращается совсем.
Это явление было названо квазипериодическим колебанием (QPO). «Это было немедленно признано чем-то захватывающим, потому что оно исходит от чего-то очень близкого к черной дыре», — сказал Адам Инграм из Амстердамского университета, Нидерланды, который начал работать над пониманием QPO для своей докторской диссертации в 2009 году.В 1990-х годах астрономы начали подозревать, что QPO связаны с гравитационным эффектом, предсказанным общей теорией относительности Эйнштейна: что вращающийся объект создаст своего рода гравитационный вихрь.
«Это немного похоже на скручивание ложки в меде. Представьте, что мед — это пространство, и все, что находится в меде, будет« тащить »скручивающейся ложкой», — объяснил Ингрэм. «На самом деле это означает, что все, что движется вокруг вращающегося объекта, будет затронуто его движением».
В случае наклонной орбиты произойдет «прецессия». Это означает, что вся орбита изменит ориентацию вокруг центрального объекта. Время, когда орбита возвращается в исходное состояние, называется циклом прецессии.В 2004 году НАСА запустило Gravity Probe B для измерения так называемого эффекта Ленз-Тирринга вокруг Земли.
После кропотливого анализа ученые подтвердили, что космический корабль будет проходить полный цикл прецессии каждые 33 миллиона лет.Однако вокруг черной дыры эффект будет гораздо более заметным из-за более сильного гравитационного поля. Цикл прецессии займет всего несколько секунд или меньше.
Это настолько близко к периодам QPO, что астрономы начали подозревать связь.Ингрэм начал работу над проблемой, глядя на то, что произошло в плоском диске материи, окружающем черную дыру. Это место, известное как аккреционный диск, постепенно движется по спирали внутрь к черной дыре.
Ученые уже предположили, что рядом с черной дырой плоский аккреционный диск раздувается в горячую плазму, в которой электроны отрываются от своих атомов. Он называется горячим внутренним потоком и сжимается в размерах за недели и месяцы по мере того, как его поедает черная дыра. Вместе с коллегами Ингрэм опубликовал в 2009 году статью, в которой предполагалось, что QPO определяется прецессией Ленз-Тирринга этого горячего потока. Это связано с тем, что чем меньше становится внутренний поток, тем ближе он к черной дыре и тем быстрее будет ее цикл прецессии Лензе-Тирринга.
Возник вопрос: как это доказать?«Мы потратили много времени, пытаясь найти доказательства такого поведения как дымящееся ружье», — сказал Ингрэм.
Ответ заключается в том, что внутренний поток испускает высокоэнергетическое излучение, которое поражает материю в окружающем аккреционном диске, заставляя атомы железа в диске сиять, как люминесцентная лампа. Железо испускает рентгеновские лучи с одной длиной волны, называемой «спектральной линией».Поскольку аккреционный диск вращается, длина волны линии железа искажается эффектом Доплера.
Линия излучения от приближающейся стороны диска сдавлена - смещена в синий цвет — и линия излучения от материала удаляющегося диска растянута — смещена в красный цвет. Если внутренний поток действительно прецессирует, он иногда будет светить на материал приближающегося диска, а иногда на удаляющийся материал, заставляя линию колебаться вперед и назад в течение цикла прецессии.XMM-Newton проявил себя при виде этого колебания. Ингрэм и его коллеги из Амстердама, Кембриджа, Саутгемптона и Токио подали заявку на длительное наблюдение, которое позволило бы им неоднократно наблюдать QPO.
Они выбрали черную дыру H 1743-322, которая в то время показывала четырехсекундный QPO. Они смотрели это 260000 секунд с XMM-Newton. Они также наблюдали его в течение 70 000 секунд с помощью рентгеновской обсерватории NASA NuSTAR.«Мощные возможности NuSTAR в области высоких энергий были очень важны», — сказал Ингрэм. «NuSTAR подтвердила колебание линии железа, а также обнаружила в спектре особенность, называемую« отраженным горбом », которая добавила доказательств прецессии».
После тщательного анализа сложения всех данных наблюдений они увидели, что линия железа колеблется в соответствии с предсказаниями общей теории относительности. «Мы непосредственно измеряем движение материи в сильном гравитационном поле рядом с черной дырой», — говорит Ингрэм.Это первый раз, когда эффект Лензе-Тирринга был измерен в сильном гравитационном поле. Этот метод позволит астрономам нанести на карту материю во внутренних областях аккреционных дисков вокруг черных дыр.
Это также намекает на новый мощный инструмент, с помощью которого можно проверить общую теорию относительности.Теория Эйнштейна практически не проверена в таких сильных гравитационных полях. Итак, если астрономы смогут понять физику вещества, которое течет в черную дыру, они смогут использовать ее для проверки предсказаний общей теории относительности, как никогда раньше, — но только если можно полностью понять движение материи в аккреционном диске. .«Если вы сможете докопаться до сути астрофизики, то вы действительно сможете проверить общую теорию относительности», — говорит Ингрэм. Отклонение от предсказаний общей теории относительности приветствовалось бы многими астрономами и физиками.
Это было бы конкретным сигналом того, что существует более глубокая теория гравитации.Более крупные рентгеновские телескопы в будущем могут помочь в поисках, потому что они более мощные и могут более эффективно собирать рентгеновские лучи. Это позволило бы астрономам исследовать явление QPO более подробно. Но пока астрономы могут довольствоваться тем, что видели, как гравитация Эйнштейна действует вокруг черной дыры.
«Это крупный прорыв, поскольку исследование объединяет информацию о времени и энергии рентгеновских фотонов, чтобы разрешить 30-летнюю дискуссию о происхождении QPO. Способность XMM-Newton собирать фотоны сыграла важную роль в этой работе», — сказал он. сказал Норберт Шартель, научный сотрудник проекта ЕКА для XMM-Newton.
Больше информацииРезультаты, представленные в этой статье, публикуются в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.В декабре 1999 года был запущен космический аппарат XMM-Newton, созданный Европейским космическим агентством.
Это крупнейший научный спутник, построенный в Европе, а также одна из самых чувствительных рентгеновских обсерваторий из когда-либо совершавшихся полетов. Более 170 тонких цилиндрических зеркал направляют входящее излучение в три высокопроизводительных рентгеновских телескопа. Орбита XMM-Newton занимает почти треть пути до Луны, что позволяет долго и непрерывно наблюдать за небесными объектами.
NuSTAR — это миссия Small Explorer, возглавляемая Калифорнийским технологическим институтом в Пасадене и управляемая Лабораторией реактивного движения НАСА, также в Пасадене, для Управления научных миссий НАСА в Вашингтоне.Для получения дополнительной информации о NuSTAR посетитеhttp://www.nasa.gov/nustarhttp://www.nustar.caltech.edu