Насколько близко можно подлететь к черной дыре?

Горизонт событий черной дыры — это невидимая граница у черной дыры, из-за которой не может вернуться даже свет, настолько сильно притяжение. А вот с внешней стороны этой границы все гораздо сложнее.

Вокруг черных дыр крутится значительная часть материи Вселенной. По сути, мы тоже медленно, но верно «падаем» в черную дыру. Материя, которая слишком приблизилась к черной дыре, сжимается в тончайший диск — аккреционный диск.

Этот диск вращается, крупицы материи трутся друг об друга. Жар, трение, магнитные и электрические силы наполняют диск энергией, и он начинает очень ярко светиться.

Насколько близко можно подлететь к черной дыре?

У самых массивных черных дыр аккреционные диски светятся так ярко, что им даже дали собственное название. Их называют активными ядрами галактик. Такие яркие объекты своим светом способны заглушить свет миллионов других галактик.

Из-за трения частицы замедляются. И в итоге им уже не хватает сил крутиться вокруг черной дыры, и они начинают падать к горизонту событий. Если бы не было трения, материя могла бы крутиться вокруг черной дыры на протяжении миллиардов лет, как Земля вокруг Солнца.

Еще до того, как оказаться за горизонтом событий, материя пролетает еще одну важную границу. Это граница, за которой любая стабильность исчезает под силами гравитации.

После прохождения этой границы уже невозможно сохранять стабильную орбиту. Из-за нее можно вылететь, если у вас есть достаточно мощный источник энергии, мощная ракета. Но у обычного облака газа такого источника, конечно, нет.

Эту границу называют самой внутренней устойчивой круговой орбитой, или ISCO (innermost stable circular orbit). Ее существование предсказывает общая теория относительности Эйнтшейна (как и существование самих черных дыр). Астрономам пока что не удалось увидеть и подтвердить существование этой орбиты. Но они очень стараются.

В новой статье, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ученые описали, как с помощью света можно изучить самую внутреннюю устойчивую круговую орбиту. Способ основан на методе реверберационного картирования (reverberation mapping) — методе, который пользуется тем фактом, что разные регионы у черной дыры светятся по-разному.

Когда газ уходит из аккреционного диска и пересекает орбиту ISCO, он так сильно нагревается, что дает мощный поток рентгеновского излучения. Его видно даже с Земли. К сожалению, яркость настолько велика, что полностью засвечивает особенности структуры аккреционного диска (которые, кстати, помогли бы нам разобраться с ISCO).

Ренгеновское излучение подсвечивает и внешние области аккреционного диска, в которых обитают облака холодного газа. Эти облака нагреваются и тоже начинают светиться — флуоресцировать. Это свечение мы тоже видим, отдельно от ренгеновского.

На путь света от ISCO до холодного газа на внешней границе аккреционного диска уходит время. Это время и особенности реверберационного света зависят от структуры аккреционного диска.

В новом исследовании ученые с помощью сложных компьютерных моделей изучили, как движение газа от ISCO до горизонта событий влияет на ренгеновское излучение и флуоресценцию внешних облаков газа.

Они обнаружили, что хоть сейчас нашим телескопам пока что не хватает чувствительности разглядеть происходящее, уже следующее поколение рентгеновских телескопов будет на это способно. А значит, мы наконец-то получим подтверждение существования ISCO и сможем протестировать другие предсказания ОТО.

И тогда-то мы и узнаем точно ответ на вопрос «Насколько близко можно подлететь к черной дыре?», и с какого расстояния еще можно вернуться.


Научная статья была опубликована в в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Она также доступна на сайте arXiv. arXiv:2003.00019
Источник: Space.com.