Сотрудники лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ предложили новый способ косвенного измерения массы чёрной дыры, параллельно подтвердив её существование. Метод успешно протестировали на активной галактике Мессье 87. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Активные ядра галактик — одни из самых ярких объектов звёздного неба. Их активность заключается в выбросе тонкой длинной струи вещества и энергии, релятивистского джета. Это явление не может быть объяснено влиянием звёзд, из которых галактика состоит. Согласно современным представлениям, активные галактики содержат некий «мотор», его называют ядром. Пока природа этих объектов не изучена, но один из кандидатов на роль активного ядра — вращающаяся чёрная дыра.
Объект Мессье 87 находится в созвездии Девы, это ближайшая к нам и наиболее изученная активная галактика. Постоянные наблюдения за объектом ведутся с 1781 года, когда объект был открыт как туманность. Однако по мере накопления сведений туманность начала принимать очертания эллиптической галактики, и с обнаружением джета была признана активной галактикой. На сегодняшний день структура джета у Мессье 87 изучена досконально: построены карты скоростей выброса плазмы, измерены температура и концентрация частиц вещества, увлекаемого в чёрную дыру. Граница джета была измерена настолько тщательно, что учёные увидели: она не однородна по длине, а меняет форму с параболической на коническую. Такой эффект излома был недавно подтверждён для десятка других активных галактик, но М87 демонстрирует его наиболее ярко. Полнота наблюдений позволяет тестировать гипотезы об устройстве активных галактик, в том числе и связь излома с гравитационным влиянием чёрной дыры.
Граница джета состоит из отрезков двух разных кривых, и этим воспользовались астрофизики. По расстоянию от центра ядра до точки излома им удалось косвенно измерить массу и спин чёрной дыры. Для этого учёными МФТИ был разработан метод, сочетающий теоретическую модель, компьютерный расчёт и наблюдения с телескопов.
Учёные описали струйный выброс как течение замагниченной жидкости. Форма струи определяется электромагнитным полем вокруг. В свою очередь, параметры поля зависят от разных факторов: скоростей и зарядов частиц джета, электромагнитных токов внутри струи и аккреции, «всасывания» вещества чёрной дырой, из-за чего у неё появляется собственное магнитное поле. Сложное сплетение характеристик и физических явлений приводит к наблюдаемому излому.
Существует теоретическая модель, предсказывающая излом. Исследователи подбирают массу чёрной дыры в модели таким образом, чтобы результат компьютерного моделирования совпал с наблюдаемой формой выброса. Так одновременно оценивается массы чёрной дыры, подтверждается новый способ измерения, а также гипотезы теоретической модели.
Ведущий автор работы Елена Нохрина, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, говорит: «Главный результат нашей работы — новый независимый метод оценки массы чёрной 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».
Лаборатория фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ под руководством Юрия Ковалева, членкора РАН, занимается изучением как джетов квазаров, так и структур магнитосферы пульсаров, аккреционных дисков и струйных выбросов из молодых звёзд, исследованием двойных чёрных дыр и других тесных двойных систем. Кроме понимания природы процессов происходящих в нашей Галактике и Вселенной, эти исследования имеют и практический результат. Они помогают улучшить точность навигационных систем, использующих в своей работе далёкие квазары.
Вместе с учёными из Московского физико-технического института в работе принимали участие их коллеги из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), Объединённого европейского института РСДБ (Joint Institute for VLBI ERIC), Делфтского технического университета (нидерл. Technische Universiteit Delft), Института астрономии и астрофизики (кит. 中央研究院天文及天文物理研究所, англ. Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics), Национальной астрономической обсерватории Японии (яп. 国立天文, англ. The National Astronomical Observatory of Japan, NAOJ) и Высшей школы повышения квалификации (яп. 総合研究大学院大学, англ. The Graduate University for Advanced Studies, Токио, Япония).
