Изображение, созданное с помощью Teleskopu Horizonu Zdarze? (EHT), показывает гало света, искажённое гравитацией чёрной дыры и направленное к нам. С одной стороны гало светлее, что, согласно общей теории относительности, связано с вращением или спином чёрной дыры. Это было первое прямое подтверждение вращения черной дыры. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, были представлены дополнительные доказательства вращения.

Изображение чёрной дыры в центре галактики М 87.
Источник: EHT

То, что M87 вращается, не является удивительным научным фактом. Все объекты, начиная от звёзд и заканчивая планетами, вращаются, поэтому астрономы ожидают, что и все чёрные дыры тоже вращаются. Испытание состояло в доказательстве этого факта.

Поскольку у чёрных дыр нет поверхностных особенностей, единственный способ определить их спин состоит в изучении их изгибающего эффекта на пространство и время, а также его воздействия на окружающие свет, газ и пыль. Наблюдения Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) помогли учёным ещё раз подтвердить справедливость общей теории относительности Эйнштейна. Но исследовательская группа решила поискать какие-то доказательства вращения, которые не основываются на этом предположении.

Схематическое изображение модели наклонённого аккреционного диска чёрной дыры.
Источник: Cui et al., Intouchable LabOpenverse and Zhejiang Lab

Новое исследование основывалось на эффекте прецессии. Поскольку чёрная дыра M87 активна, она выбрасывает струи вещества почти со скоростью света. Если черная дыра прецессирует, то направление этих струй должно меняться со временем. Именно на отслеживании этих изменений сосредоточились учёные.

Команда проанализировала более 17 лет накопленных данных о выбросах чёрной дыры и обнаружила, что ориентация струй немного меняется со временем. Она осциллирует (колеблется) с разницей около 10 градусов с периодичностью 8-10 лет. Это означает, что ось вращения чёрной дыры прецессирует в пределах этого угла. Поскольку прецессия является прямым эффектом вращения, это подтверждает вращение чёрной дыры.

Прецессия джета M87 доказывает, что чёрная дыра вращается.
Источник: Cui, et al

Хотя команда подтвердила вращение, исследование вызывает вопрос о том, какой именно механизм вызывает прецессию черной дыры. Небольшие, относительно чёрной дыры, объекты, прецессируют, потому что они испытывают гравитационное влияние от другого массивного. Однако, чёрная дыра M87 является самым массивным объектом в галактике, рядом с ней нет другого объекта с похожей массой. Ответ на причины прецессии может быть связан с эффектом Ленса-Тирринга: в общей теории относительности вращающийся объект искривляет пространство-время вокруг себя, это означает, что всё, что находится на орбите вокруг этого объекта, может иметь искажённую орбиту. Для тел, таких как Земля, этот эффект крайне незначителен. Для чёрных дыр эффект Ленса-Тирринга может быть хорошо заметным. Возможно, именно это вызывает незначительное наклонение аккреционного диска материи, окружающего чёрную дыру, и когда материал поглощается чёрной дырой, именно он оказывает слабый крутящий момент на чёрную дыру, вызывая её прецессию. Если это так, то струи многих других сверхмассивных черных дыр должны проявлять аналогичный эффект.

Одним из наиболее ценных итого исследования стало то, что оно предоставляет учёным надёжные данные о динамическом поведении чёрной дыры. Больше не нужно полагаться исключительно на вычислительные модели для понимания взаимодействия чёрных дыр с окружающей средой. Теперь учёные могут сравнивать модели с данными, что поможет не только лучше понять физику чёрных дыр, но и галактики, в которых они находятся.