Вчені виявили, що чорні діри обертаються неочікувано швидко

Вчені виявили, що деякі надмасивні чорні діри обертаються набагато швидше, ніж очікувалося. Відкриття стало результатом нової форми «археології чорних дір», яка пов’язує обертання чорних дір із газом і пилом, які вони споживали, щоб рости протягом 7 мільярдів років космічної історії. Висновки, люб’язно надані Sloan Digital Sky Survey (SDSS), свідчать про кілька речей. По-перше, ранній Всесвіт міг бути більш упорядкованим, ніж передбачалося раніше. А по-друге, зростання надмасивних чорних дір через ланцюжок злиття все більших і більших чорних дір (спричинений зіткненням і злиттям галактик) може доповнюватися об’єктами, які жадібно ласують навколишнім газом і пилом.

«Ми вивчали гігантські чорні діри, знайдені в центрах галактик, від сьогодні до семи мільярдів років тому», — сказав у своїй заяві член команди Логан Фріс з Університету Коннектикуту . «Несподівано ми виявили, що вони обертаються надто швидко, щоб утворитися лише в результаті злиття галактик. «Вони, мабуть, утворилися значною мірою внаслідок падіння матеріалу, плавного зростання чорної діри та прискорення її обертання».

Виміряти обертання чорної діри нелегко

Незважаючи на те, що вони є космічними монстрами, які формують цілі галактики навколо них, надмасивні чорні діри з масами, які в мільйони чи мільярди разів перевищують маси Сонця (та їх менші аналоги із зірковою масою), загалом досить прості. Їх можна окремо визначити лише трьома характеристиками: масою, спіном і, що менш важливо, електричним зарядом. Як дотепно пояснив цю відсутність відмінних ознак фізик Джон Вілер: «чорні діри не мають волосся».

«Чорні діри здаються такими екзотичними, але їх можна повністю описати лише двома числами: масою та швидкістю обертання», — пояснив Фріс. «Проблема в тому, що масу важко виміряти, а обертання ще важче».

Швидкість, з якою обертається чорна діра, важко відрізнити від швидкості, з якою обертається навколишня сплощена хмара газу та пилу — акреційний диск.

«Завдання полягає в тому, щоб відокремити обертання чорної діри від обертання акреційного диска, який її оточує», — сказав Джонатан Трамп, член команди та дослідник Університету Коннектикуту. «Ключ полягає в тому, щоб подивитися на найпотаємнішу область, де газ падає в горизонт подій чорної діри. «Чорна діра, що обертається, тягне за собою цей внутрішній матеріал, що призводить до помітної різниці, коли ми дивимося на деталі в нашому вимірювання».

Космічний літопис скам’янілостей

Команда впоралася зі складним завданням визначення обертання чорних дір за допомогою проекту SDSS Reverberation Mapping. Цей проект проводив надзвичайно точні вимірювання маси сотень чорних дір, а також проводив детальні спостереження за структурою акреційних дисків порожнеч. Ці дані надходять у формі спектрів або світла, випромінюваного через електромагнітний спектр. Маючи це на руках, вчені можуть почати вимірювати швидкість обертання центральної чорної діри.

Тонкий зсув довжини хвилі світла розкриває багато про обертання чорної діри. Коли матеріал падає в чорну діру, він також приносить із собою кутовий момент — це обертання розкриває подробиці минулого харчування чорної діри.

«Я називаю цей підхід «археологією чорних дір», тому що ми намагаємося зрозуміти, як маса чорної діри зростала з часом», — сказав Фріс. «Дивлячись на обертання чорної діри, ви, по суті, дивитеся на її скам’янілості».

Цю «викопну літопис» можна розшифрувати, якщо вчені порівнюють спостережувану швидкість обертання з прогнозованою. Наразі улюблена модель припускає, що надмасивні чорні діри ростуть за рахунок злиття, що відбувається, коли їхні рідні галактики стикаються та зливаються. Оскільки ці окремі галактики мають свої власні швидкості обертання та випадкову орієнтацію, коли вони зливаються, ці обертання можуть скасовуватися. Або, принаймні, вони могли б об’єднатися. Обидва результати мають бути однаково ймовірними.

Враховуючи це, вчені очікують, що чорні діри повинні обертатися дуже повільно. Однак ця команда виявила не це. Це дослідження не тільки виявило, що багато чорних дір обертаються швидше, ніж очікувалося, але й показало, що чорні діри у більш віддалених галактиках обертаються навіть швидше, ніж у локальному Всесвіті.

Це свідчить про те, що обертання чорних дір може розвиватися поступово з часом. Один зі способів, як це може статися, полягає в тому, що чорна діра накопичує кутовий момент шляхом поступового накопичення пилу та газу. Дослідники могли б додатково перевірити цю ідею та підтвердити ці результати за допомогою спостережень космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), який протягом трьох років роботи знаходив надмасивні чорні діри з більш ранніх епох Всесвіту.

«Чорні діри дійсно знаходяться на межі людського розуміння», — сказала в заяві Джуна Коллмайєр, директор SDSS-V, поточної фази SDSS. «Ми проводимо масштабні дослідження, такі як SDSS, щоб створити емпіричну астрофізичну картину їхніх фундаментальних властивостей, на основі яких можна перевірити наші теоретичні моделі».

Фріс представив висновки команди 14 січня на 245-й зустрічі Американського астрономічного товариства (AAS) у Національній гавані, штат Меріленд.