Астрономы впервые наблюдали «область погружения» черной дыры — зону, где материя перестает вращаться и обрушивается прямо к ее центру, подобно водопаду. Предсказанная общей теорией относительности Эйнштейна, эта зона является внутренней границей аккреционного диска, непосредственно перед горизонтом событий. Вопреки предыдущим гипотезам, эта область продолжает испускать излучение, что является одной из причин ее обнаружения.
Когда объект или материя приближаются к черной дыре, они притягиваются гравитационной силой последней и в итоге распадаются на ее краю, питая высокоэнергетический аккреционный диск до достижения горизонта событий (точки невозврата, где ничто, даже свет, не может избежать гравитационного притяжения черной дыры). Согласно теории гравитации Ньютона, материя должна продолжать вращаться вокруг черной дыры, пока не достигнет горизонта событий.
Однако Эйнштейн предсказал, что на достаточно близком расстоянии к горизонту событий — в зоне, называемой «областью погружения», — частицам становится невозможно двигаться по круговым орбитам. Тогда они начинают стремительно падать к центру черной дыры со скоростью, близкой к скорости света. Для аналогии аккреционный диск можно сравнить с рекой, ведущей к водопаду — области погружения. «Если бы Эйнштейн был неправ, то все было бы стабильно до самого конца — была бы только одна река«, — объясняет Эндрю Маммери из Оксфордского университета в интервью New Scientist.
С другой стороны, давно ведутся споры о том, испускает ли погружающийся регион излучение из-за своей близости к горизонту событий. В первом случае эта область была бы различима нашими телескопами, а во втором — не обнаружена.
«Раньше мы считали, что все, что пересекает эту границу, не успевает существенно излучить до того, как погрузится в черную дыру«, — говорит Грег Салвесен из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. В результате большинство моделей не учитывают потенциальные выбросы излучения с самой внутренней стабильной круговой орбиты аккреционного диска (то есть крайнего предела, где круговая орбита частиц еще не нарушена).
Исследование Маммери и его коллег ставит точку в спорах, открывая первое наблюдательное свидетельство погружающейся области черной дыры. «Теория Эйнштейна предполагает существование этого последнего погружения, но мы впервые смогли продемонстрировать, что это действительно так«, — говорит эксперт в пресс-релизе Оксфордского университета. «До сих пор мы смотрели на реку, а это наш первый взгляд на водопад«, — добавляет он.
Неожиданное дополнительное излучение
В рамках своего исследования, подробно описанного в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ученые сосредоточили внимание на небольшой черной дыре в бинарной системе под названием MAXI J1820+070, расположенной в 10 000 световых лет от Земли. Для этого они использовали данные рентгеновских космических телескопов NASA Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) и Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER), чтобы проанализировать ее световой спектр. Затем эти данные были использованы для моделирования того, как материя движется к его погружающейся зоне.
Данные наблюдений показали, что черная дыра испускает несколько больше излучения, чем можно было бы ожидать от ее аккреционного диска. Эта светимость соответствовала моделированию, которое учитывало дополнительное излучение от погружающейся области. По мнению экспертов, это первый взгляд на то, как плазма в аккреционном диске черной дыры прекращает вращение и каскадом движется к ее центру.
Изображение коэффициента смещения энергии фотонов для системы дисков с черными дырами. Это изображение также подчеркивает ярко выраженное гравитационное линзирование области вблизи самой внутренней стабильной круговой орбиты.
Эти результаты дают ценную информацию об одном из самых загадочных аспектов черных дыр и могут привести к новым разгадкам природы гравитации и пространства-времени. Кроме того, дополнительное излучение, исходящее из погружающейся области, может потенциально объяснить аномалии скорости вращения, обнаруженные у некоторых черных дыр. Хотя их вращение напрямую коррелирует с их светимостью, скорость вращения этих черных дыр превышает теоретический предел.
Более того, «что действительно интересно, так это то, что в галактике много черных дыр, и теперь у нас есть надежный новый метод, позволяющий использовать их для изучения самых сильных гравитационных полей, известных на сегодняшний день«, — предполагает Маммери. Позже в этом году команда Оксфорда планирует исследовать этот путь, изучая более крупные и удаленные черные дыры в рамках проекта Африканского миллиметрового телескопа. Последнее заключается в использовании нового высокопроизводительного телескопа, который должен позволить снимать непосредственное окружение черных дыр.
