Малая черная дыра

Черные дыры - это области пространства, настолько плотные, что даже свет не может преодолеть их гравитационного притяжения. Так как черная дыра поглощает газ, пыль и даже звёзды, поглощаемое вещество становится настолько горячим, что начинает излучать с очень высокой энергией по мере того, как погружается в черную дыру. Эта энергия включает и рентгеновское излучение, которое способны обнаруживать телескопы на околоземной орбите. Астрономы обнаружили относительно малую черную дыру в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, которая излучает в рентгене так же интенсивно, как черные дыры обычных размеров. NGC 4395 - первая галактика, в центре которой найдена маленькая, но очень эффективная сверхмассивная черная дыра. В статье, которая была опубликована в Monthly Notices Королевского Астрономического Общества, астрономы из института астрономии Кембриджского университета пишут о том, что они обнаружили "крошечную" супермассивную черную дыру, которая, вопреки математическим ожиданиям, является столь же мощной, как большие черные дыры в центрах других галактик. Черная дыра, расположенная в галактике NGC 4395, массивнее нашего Солнца в 50000 раз. Обычные известные нам сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца. Согласно астрономам, эта черная дыра "работает" так же, как обычная сверхмассивная черная дыра, несмотря на ее малые размеры. Наличие таких небольших по размерам черных дыр может объяснить свойства сейфертовских галактик - одного из типов активных галактик, в центре которых, как считается, содержатся черные дыры. Такие галактики менее ярки, чем квазары и другие активные галактики, но испускают большое количество рентгеновского излучения. Астрономы пока не знают, сколько существует подобных черных дыр. NGC 4395 - единственная известная галактика с такой черной дырой.

Определение размеров черной дыры

1. Прямые измерения сверхмассивных черных дыр

На 20-ом симпозиуме Техаса в янкаре 2001 года по релятивистской астрофизике астрономы из университета Остина Karl Gebhardt и John Kormendy продемонстрировали, что два метода, использующиеся для измерений масс близлежащих черных дыр, могут использоваться также и для вычисления размеров наиболее удаленных квазаров. Использование этих методов может дать астрономам возможность получения большей информации о росте черных дыр и формировании галактик. В настоящее время астрономам известны 38 черных дыр. 13 из них обнаружил Gebhardt и шесть - Kormendy. Масса сверхмассивной черной дыры превышает массу Солнца от одного миллиона до одного миллиарда раз. Такие черные дыры располагаются в центрах галактик. Поскольку они невидимы, их поиск и изучение основаны на наблюдениях перемещений звезд, вращающихся вокруг них.

Считается, что квазары, чрезвычайно удаленные астрономические объекты, содержат в центре сверхмассивные черные дыры, которые активно поглощают окружающие их звезды и газ. Проведенные до сих пор прямые измерения сверхмассивных черных дыр в 38 галактиках были основаны на наблюдениях за вращением и скоростями звезд и газа около центров этих галактик. Такие измерения требуют высокого пространственного разрешения, такого, какое способен обеспечить пока только космический телескоп Hubble. Но этот тип измерений дает хорошие результаты только для близлежащих галактик. Квазары слишком далеки, чтобы применять к ним эти прямые методы. Поэтому астрономы вынуждены полагаться на физические модели областей, лежащих вблизи черных дыр, чтобы измерить их массы. Недостатком этого метода является то, что существует много неопределенностей в физике квазаров.

2. Методы измерения масс черных дыр, располагающихся в квазарах.

Сейчас разработаны два метода для измерения масс черных дыр, располагающихся в квазарах. Оба они включают неопределенность. Первый из методов основан на изменчивости квазаров и на том факте, что вокруг каждой сверхмассивной черной дыры обращаются огромные газовые облака. По мере того как изменяется энергия, излучаемая черной дырой, изменяется и яркость излучения вращающихся вокруг нее газовых облаков. Поскольку свет перемещается с конечной скоростью, изменения яркости газовых облаков видны позже, чем изменения яркости центрального источника излучения. Разница во времени позволяет вычислить, как далеко от черной дыры располагаются облака газа. Скорость, с которой облака обращаются вокруг черной дыры, также может быть измерена. Взятые вместе эти измерения позволяют получить массу черной дыры. Однако не существует способа проверить эти данные, и некоторые из свойств газовых облаков, принимаемые в данной модели, вызывают сомнения. Вторая модель вызывает еще большие сомнения. До сих пор большинство специалистов не доверяет данным, полученным на основе таких методов вычисления масс черных дыр. Тем не менее астрономы из университета Остина показали, что данные, получаемые этими методами, соответствуют обнаруженной недавно зависимости между массами черных дыр и массами галактик.

Внутренний край аккреционного диска вокруг чёрной дыры

С помощью четырёх космических обсерваторий NASA астрономы показали, что внутренний край аккреционного диска вокруг чёрной дыры расположен намного дальше от неё по сравнению с теоретическими предсказаниями. Это даст возможность лучше понять как высвобождается энергия, когда газ аккреционного диска, закручиваясь по спирали, падает на чёрную дыру. 18 апреля 2000 года Hubble Space Telescope и Extreme Ultraviolet Explorer наблюдали ультрафиолетовое излучение от объекта под названием XTE J1118+480, который представляет собой чёрную дыру массой в 7 масс Солнца, входящую в тесную двойную систему вместе с солнцеподобной звездой.

Аккреционные диски вокруг чёрной дыры и нейтронной звезды

Одновременно, орбитальный рентгеновский телескоп Rossi X-ray Timing Explorer наблюдал жёсткое рентгеновское излучение от вещества, падающего на чёрную дыру, а рентгеновская обсерватория Chandra проводила наблюдения в диапазоне между ультрафиолетом и жёстким рентгеном для того, чтобы связать все данные вместе. "Объединив наблюдения XTE J1118+480 в разных диапазонах, мы получили первое чёткое доказательство того, что аккреционный диск может заканчиваться очень далеко от чёрной дыры," - говорит Jeffrey McClintock (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), руководитель наблюдений на Chandra. "Данные показывают, что этот аккреционный диск простирается к горизонту событий чёрной дыры не ближе, чем на 600 миль, что намного больше ожидавшихся 25 миль". Учёные считают, что аккреционный диск исчезает вблизи чёрной дыры вследствие превращения вещества диска в горячий пузырь газа. Вещество, вытягиваемое чёрной дырой из звезды-компаньона, может образовать плоскую, блиноподобную структуру, называемую "аккреционным диском".

Вещество движется по спирали к внутреннему краю аккреционного диска, сильно ускоряется и нагревается под влиянием очень мощной гравитации чёрной дыры, и вследствие этого излучает в рентгеновском диапазоне. Исследуя это излучение, учёные могут определить, насколько близко к чёрной дыре простирается аккреционный диск. Многие астрономы согласны с тем, что когда темп переноса вещества на чёрную дыру очень высок, то внутренний край диска может находиться на расстоянии около 25 миль от горизонта событий - поверхности, изнутри которой вещество и свет "не возвращается", а падает на чёрную дыру. Однако, у астрономов не было единого мнения о том, насколько близок диск к чёрной дыре при малом темпе аккреции вещества. "Прорыв произошел, когда орбитальная обсерватория Chandra не обнаружила рентгеновское излучение, ожидавшееся при расстоянии в 25 миль между диском и чёрной дырой," - говорит астрофизик Ann Esin (Caltech). "Это представляет фундаментальную проблему для моделей, в которых аккреционный диск очень близок к чёрной дыре."