Близлежащая радиогалактика M87, расположенная на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли и содержащая черную дыру, в 6,5 миллиардов раз более массивную, чем Солнце, демонстрирует колеблющуюся струю, которая раскачивается вверх и вниз с амплитудой около 10 градусов, подтверждая существование вращающейся черной дыры. Исследование, которое возглавил китайский исследователь доктор Цуй Юйчжу и опубликовано в журнале Nature 27 сентября, было проведено международной командой с использованием глобальной сети радиотелескопов. Благодаря обширному анализу данных телескопа за 2000–2022 годы исследовательская группа выявила повторяющийся 11-летний цикл прецессионного движения основания джета, как предсказывает Общая теория относительности Эйнштейна. Исследование связывает динамику джета с центральной сверхмассивной черной дырой, предлагая доказательства того, что черная дыра M87 вращается.
Сверхмассивные черные дыры в центре активных галактик — самые разрушительные небесные объекты в нашей Вселенной — могут аккумулировать огромные количества материала благодаря необычайной гравитационной силе и мощности плазменных потоков, известных как джеты, которые приближаются к скорости света и простираются на тысячи километров. на расстоянии световых лет. Механизм передачи энергии между сверхмассивными черными дырами, их аккреционными дисками и релятивистскими джетами озадачивает физиков и астрономов уже более столетия. Преобладающая теория предполагает, что энергия может быть извлечена из вращающейся черной дыры, позволяя выбросить часть материала, окружающего сверхмассивную черную дыру, с большой энергией. Однако вращение сверхмассивных черных дыр, решающий фактор в этом процессе и наиболее фундаментальный параметр, кроме массы черной дыры, напрямую не наблюдалось.
В этом исследовании исследовательская группа сосредоточилась на M87, где в 1918 году наблюдался первый наблюдательный астрофизический джет. Благодаря его близости области формирования джета вблизи черной дыры могут быть подробно определены с помощью интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI). как представлено недавним изображением тени черной дыры с помощью телескопа Event Horizon (EHT). Анализируя данные VLBI от M87, полученные за последние 23 года, команда обнаружила периодическую прецессионную струю у ее основания, что дает представление о состоянии центральной черной дыры. В основе этого открытия лежит критический вопрос: какая сила во Вселенной может изменить направление такой мощной струи? Ответ может быть скрыт в поведении аккреционного диска, конфигурации, связанной с центральной сверхмассивной черной дырой.
Когда падающие материалы вращаются вокруг черной дыры из-за своих угловых моментов, они образуют дискообразную структуру, а затем постепенно спирально закручиваются внутрь, пока не будут роковым образом втянуты в черную дыру. Однако если черная дыра вращается, она оказывает значительное влияние на окружающее пространство-время, заставляя близлежащие объекты тянуться вдоль ее оси вращения — явление, известное как «перетаскивание кадра», которое было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна. Обширный анализ исследовательской группы показывает, что ось вращения аккреционного диска не совпадает с осью вращения черной дыры, что приводит к образованию прецессионной струи. Обнаружение этой прецессии дает недвусмысленное доказательство того, что сверхмассивная черная дыра в M87 действительно вращается, что расширяет наше понимание природы сверхмассивных черных дыр.
«Мы в восторге от этого важного открытия», — сказал Цуй Ючжу, постдокторант из Zhejiang Lab, исследовательского института в Ханчжоу, а также ведущий и соответствующий автор статьи. «Поскольку смещение между черной дырой и диском относительно невелико, а период прецессии составляет около 11 лет, для достижения этого достижения необходимы накопление данных с высоким разрешением, отслеживающих структуру M87 за два десятилетия, и тщательный анализ». «После успеха получения изображения черной дыры в этой галактике с помощью EHT вопрос о том, вращается ли эта черная дыра или нет, стал главным вопросом для ученых», — добавил доктор Кадзухиро Хада из Национальной астрономической обсерватории Японии. «Теперь ожидание превратилось в уверенность. Эта чудовищная черная дыра действительно вращается».
В этой работе было использовано в общей сложности 170 эпох наблюдений, полученных с помощью Восточноазиатской РСДБ-сети (EAVN), Очень длинной базовой линии (VLBA), совместной антенной решетки КВН и VERA (KaVA), а также от Восточной Азии до Италии. Глобальная сеть (EATING). Всего в этом исследовании приняли участие более 20 телескопов по всему миру. Радиотелескопы в Китае также внесли свой вклад в этот проект, в том числе китайский 65-метровый радиотелескоп Tianma с его огромной тарелкой и высокой чувствительностью в миллиметровом диапазоне волн. Кроме того, Синьцзянский 26-метровый радиотелескоп повышает угловое разрешение наблюдений EAVN. Для достижения этого успеха необходимы данные хорошего качества с высокой чувствительностью и высоким угловым разрешением.
«40-метровый радиотелескоп Шигадзе Шанхайской астрономической обсерватории еще больше улучшит возможности визуализации EAVN в миллиметрах. "Наблюдения на миллиметровой длине волны. Это оправдывает наши ожидания по развитию отечественных субмиллиметровых установок для астрономических наблюдений", - сказал профессор Шэнь Чжицян, директор Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук. Хотя это исследование проливает свет на загадочный мир сверхмассивных черных дыр, оно также ставит перед нами огромные проблемы. Структура аккреционного диска и точная величина вращения сверхмассивной черной дыры M87 до сих пор остаются весьма неопределенными. Эта работа также предсказывает, что будет больше источников с этой конфигурацией, что поставит перед учеными задачу их обнаружения.
