Есть вселенная, полная черных дыр, которые весело вращаются — некоторые быстро, другие медленнее. Недавнее исследование сверхмассивных черных дыр показывает, что их скорость вращения раскрывает кое-что об истории их формирования.
Если нужно описать характеристики сверхмассивной черной дыры, есть два важных числа, которые нужно использовать. Одно из них — ее масса, а другое — скорость ее вращения. Считается, что некоторые скорости вращения черных дыр очень близки к скорости света.
По словам Логана Фрайза из Университета Коннектикута, эти цифры получить сложно. «Проблема в том, что массу трудно измерить, а вращение еще сложнее», — сказал он. Тем не менее, наличие точных цифр важно, если мы хотим понять эволюцию черной дыры.
Фрайс и его коллеги из проекта Sloan Digital Sky Survey's Reverberation Mapping Project взялись за сложную работу. Они измерили скорость вращения черных дыр на протяжении космической истории. «Мы изучили гигантские черные дыры, обнаруженные в центрах галактик, с сегодняшнего дня и до 7 миллиардов лет назад», — сказал Фрайс, главный автор статьи об этой работе.
Проект картирования также провел детальные наблюдения за связанными аккреционными дисками. Это области, ближайшие к черной дыре, где материя накапливается и нагревается по мере своего спирали. Измерение этой области важно, поскольку знание массы черной дыры и структуры ее аккреционного диска дает данные, которые позволяют им измерить скорость вращения. Астрономы обычно оценивают скорость вращения, наблюдая за тем, как ведет себя материя при падении в черную дыру.
Результаты SDSS Survey массовых измерений сотен черных дыр стали неожиданностью, по словам Фриза. Это потому, что скорости вращения раскрывают кое-что об истории формирования черных дыр. «Неожиданно мы обнаружили, что они вращались слишком быстро, чтобы быть сформированными только слиянием галактик», — сказал он. «Они, должно быть, образовались в значительной степени из падающего материала, плавно увеличивая черную дыру и ускоряя ее вращение».
Фрайс описал свою работу на 245-м заседании Американского астрономического общества. «Я читал исследовательские работы, в которых теоретически рассматривается вращение черных дыр с точки зрения слияний подобных черных дыр, и мне было интересно, можно ли измерить вращение наблюдательно», — сказал Фрайс. Он указал, что история роста черных дыр требует более точных измерений, чем те, которые были доступны.
И они непростые, по словам научного руководителя Фриза, профессора физики Джонатана Трампа. «Проблема заключается в том, чтобы отделить вращение черной дыры от вращения окружающего ее аккреционного диска», — сказал Трамп. «Ключ в том, чтобы посмотреть на самую внутреннюю область, где газ падает в горизонт событий черной дыры. Вращающаяся черная дыра увлекает за собой этот самый внутренний материал, что приводит к заметной разнице, когда мы смотрим на детали наших измерений».
Чтобы разобраться в массе и вращении черной дыры, необходимы спектральные измерения. Те, что делает SDSS, содержат тонкие сдвиги в спектрах в сторону более коротких длин волн света. Этот сдвиг является основным ключом к скорости вращения черной дыры. «Я называю этот подход «археологией черной дыры», — сказал Фрайс, — «потому что мы пытаемся понять, как масса черной дыры росла с течением времени. Рассматривая вращение черной дыры, вы, по сути, смотрите на ее ископаемые останки».
Так что же нам говорит эта ископаемая летопись? Прежде всего, она бросает вызов общепринятому мнению, что черные дыры всегда создаются при столкновениях галактик. Другими словами, когда галактики сливались, то же самое происходило и с их центральными черными дырами. Каждая галактика привносит в слияние скорость вращения и ориентацию. Вращения могли бы так же легко нейтрализовать друг друга, как и сложить их. Если это правда, то астрономы должны были бы увидеть широкий диапазон спинов. У некоторых черных дыр должно быть много спинов, у других… не так много.
Большой сюрприз в том, что многие черные дыры, по-видимому, вращаются очень быстро. Еще более удивительно то, что самые далекие из них, по-видимому, вращаются быстрее, чем ближайшие к нам (т. е. «ближайшая» вселенная). Как будто они вращались быстрее в ранней вселенной и медленнее в более поздние эпохи. «Мы обнаружили, что около 10 миллиардов лет назад черные дыры приобрели свою массу в основном за счет поедания вещей», - объяснил Фрайс.
Ранняя высокая скорость вращения подразумевает, что большинство сверхмассивных черных дыр (например, в нашей галактике Млечный Путь) со временем наращивались, поглощая газ и пыль очень плавным и контролируемым образом. Другими словами, чем больше они едят (в смысле звезд и газа), тем выше их скорость вращения. Также оказывается, что рост слияния на самом деле замедляет вращение сверхмассивных черных дыр. Это может объяснить, почему те, которые мы измеряем сегодня, имеют смесь скоростей вращения, а не более равномерные скорости более ранних эпох.
Идея плавного формирования черных дыр с течением времени открывает новое направление для исследований черных дыр. Наблюдения JWST помогут получить больше целей для изучения. Такие исследования, как проект SDSS Reverberation Mapping, будут сопровождаться более точными измерениями огромных сверхмассивных черных дыр, которые JWST постоянно находит, изучая Вселенную.
