Учёные впервые наблюдали колебания материи вблизи чёрной дыры
 Художественно представление прецессии аккреционного диска вокруг чёрной дыры, то есть изменения наклонения движения материи вокруг неё. Прецессирующая внутренняя часть диска облучает остальную материю высокоэнергетическими радиационными лучами, что заставляет лучить атомы железа в разных частях диска. Источник: ESA/ATG medialab Орбитальная рентгеновская обсерватория Европейского Космического Агентства XMM-Newton доказала существование гравитационного вихря вокруг чёрной дыры. Этому открытию помогали и другой аппарат — NuSTAR, который принадлежит НАСА. Состояние среды в непосредственной близости от чёрной дыры на протяжении последних 30 лет активных поисков оставалось тайной. Теперь же, благодаря проведённой работе у астрофизиков появится возможность составить карту поведения материи очень близко от чёрных дыр. Это также может открыть дверь к будущим исследованиям общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Когда материя устремляется в чёрную дыру, он начинает очень сильно нагреваться из-за трения частиц, присутствующих в этой области. Прежде чем она попадёт в дыру и исчезнет навсегда, её температура может достичь нескольких миллионов градусов. При этом в космическое пространство начинает испускаться рентгеновское излучение. С 80-х годов прошлого века первые астрофизики, используя самые ранние рентгеновские телескопы, обнаружили, что лучи рентгеновского излучения, приходящие от чёрных дыр, масса которых сопоставима с массой звёзд, мерцают. Причём это мерцание следует вполне определённой последовательности. Когда оно начинается, затемнение объекта, а затем его прояснение происходят один раз за десять секунд. Затем проходили дни и недели, и в течение месяцев частота колебаний увеличивалась, сокращая период колебаний до тех пор, пока объект не начинал мерцать до десяти раз за одну секунду. После этого мерцание внезапно прекращалось полностью. Художественно представление прецессии аккреционного диска вокруг чёрной дыры, то есть изменения наклонения движения материи вокруг неё. Прецессирующая внутренняя часть диска облучает остальную материю высокоэнергетическими радиационными лучами, что заставляет лучить атомы железа в разных частях диска. Источник: ESA/ATG medialab Это явление именно рентгеновской астрономии получило название «квазипериодических колебаний» (Quasi Periodic Oscillation (QPO)). В течение следующих 90-х годов прошлого века астрономы догадались, что эти колебания связаны с гравитационным эффектом, предсказанным общей теорией относительности Эйнштейна, когда вращающийся объект создаёт вокруг себя своего рода гравитационный вихрь. «Чтобы это легче было понять, можно сравнить явление с размешиванием мёда в банке с помощью ложки. Предположим что мёд, это пространство, а вращающаяся ложка будет затягивать его к себе. В реальной жизни на примере чёрных дыр это означает, что любой предмет, движущийся по орбите вокруг вращающегося объекта, будет испытывать определённое воздействие на своё движение. В случае если орбита имеет наклонение, этот эффект будет проявляться в виде прецессии. Время, за которое орбита вернётся в своё исходное состояние, называется циклом прецессии». В 2004 году НАСА с помощью проекта Gravity Probe B попытались измерить так называемый эффект увлечения инерциальных систем отсчёта (эффект Лензе-Тирринга). Этот эффект описывается общей теорией относительности и заключается в появлении дополнительных ускорений, сходных с ускорением Кориолиса, то есть, в итоге, сил, действующих на пробные тела, двигающиеся в гравитационном поле. Результат Gravity Probe B оказался не точным (хотя проектная погрешность должна была составлять порядка одного процента, влияние электрического заряда привело к ухудшению относительной погрешности измерения эффекта Лензе-Тирринга до 20 процентов), однако он подтвердил предсказания ОТО. Измеренная величина геодезической прецессии составила — 6601,8±18,3 mas/год, а эффекта увлечения — −37,2±7,2 mas/год (предсказываемые теоретически значения — 6606,1 mas/год и 39,2 mas/год). Это означало, что космический аппарат будет постепенно поворачиваться и закончит полный цикл прецессии за 33 миллиона лет. Ясно, что вокруг чёрной дыры этот эффект будет сильнее выражен из-за её огромного гравитационного поля. По расчётам, период прецессии у чёрной дыры должен составлять несколько секунд или меньше. Этот результат так хорошо согласуется с данными о квазипериодических колебаниях, что астрономы начали подозревать между этими явлениями взаимосвязь. Астрофизики начали разбираться с этой проблемой с исследованием того, что происходит в плоском аккреционном диске, окружающем чёрную дыру. Этот диск хорошо известен тем, что вещество в нём накапливается и по спирали устремляется внутрь чёрной дыры. В то время учёные уже были в курсе, что близко к чёрной дыре часть аккреционного диска превращается в горячую плазму, в которой электроны срываются со своих орбит в атомах. Это вещество называют горячим внутренним потоком. Автор текущих исследований вместе с коллегами ещё в 2009 году опубликовал статью, в которой выдвинул предположение, что квазипериодические колебания вызываются прецессией этого потока от эффекта Лензе-Тирринга. Связь этих явлений заключается в следующем: чем меньше становится внутренний поток, тем ближе к чёрной дыре он может подойти и таким образом период прецессии становится короче. Другой вопрос как доказать эту взаимосвязь? «Мы провели много времени, пытаясь доказать взаимосвязь между этими событиями. Ответ же на этот вопрос следующий: внутренний тепловой поток выпускает высокоэнергетическое рентгеновское излучение, которое облучает вещество окружающего аккреционного диска, оказывая влияние на атомы железа, заставляя их лучить как люминесцентная лампа. Железо излучает рентген на одной единственной длине волны, которую ещё называют спектральной линией». Поскольку аккреционный диск вращается, спектральная линия железа искажается посредством эффекта Допплера: приближающаяся к нам сторона диска уходит в синий спектр, а удаляющаяся от нас сторона уходит в красный спектр. Если внутренний поток в действительности будет прецессировать, то он иногда будет виден то на одной стороне диска, то на другой, заставляя спектральную линию железа колебаться. Именно в этот момент и включился в работу телескоп XMM-Newton. Астрофизикам потребовалось найти объект для долговременных наблюдений, они выбрали чёрную дыру H 1743-322 которая показывала четырёхсекундную задержку квазипериодических колебаний. С помощью XMM-Newton этот объект был изучен в течение 260000 секунд. В дополнении, в течение 70000 секунд за чёрной дырой наблюдала обсерватория NuSTAR. «Высокоэнергетические способности NuSTAR были очень важны в этих исследованиях. Эта обсерватория подтвердила колебания спектральных линий железа, к тому же в спектре проявила себя одна особенность, которая видна в виде пика на графике. Она и добавила дополнительные доказательства для прецессии». После проведения такого кропотливого аналитического процесса и объединения всех наблюдаемых данных воедино, учёные установили, что колебания линий железа соответствуют предсказаниям общей теории относительности. Таким образом, можно сказать, что было проведено непосредственное наблюдение за движением вещества в сильном поле тяготения близко к чёрной дыре. Это произошло впервые в истории, когда удалось наблюдать эффект увлечения инерциальных систем отсчёта. Эта техника позволит астрономам нанести на карту распределение материи во внутренних областях аккреционных дисков вокруг чёрных дыр. Также это открытие даёт мощный инструмент для проверки общей теории относительности. Дело в том, что теория Эйнштейна не проверена в таких сильных полях тяготения. Поэтому, если астрономы смогут понять физику материи, устремлённой к чёрной дыре, они смогут использовать это для того, чтобы проверить предсказания теории Эйнштейна так точно, как никогда прежде. Но только в том случае, если движение вещества в аккреционном диске будет полностью понято. «Если вы сможете добраться до самой сути астрофизики, только тогда вы в действительности сможете проверить общую теорию относительности. Однако, отклонения от этой теории приветствовались бы большинством астрономов и физиков. Это был бы конкретный сигнал, что существует более глубокая теория гравитации».
По информации NASA.
shortstoryf 13.07.2016
|
Озарение.