|
Как измерить скорость вращения чёрной дыры
|
|
|
|
Несмотря на то, что их изображают как массивных монстров, которые просто поглощают всё, включая свет, астрономы знают, что чёрные дыры на самом деле вращаются. И вращаются они очень, очень быстро. Определение этой скорости является ключом к пониманию того, как они влияют на своё непосредственное окружение и окружающие их галактики. В новой статье Теган Томас из Университета Вирджинии и её коллег, доступной на сервере препринтов arXiv, есть хорошие и плохие новости на этот счёт. Плохая новость заключается в том, что в настоящее время мы не можем определить, с какой скоростью на самом деле вращаются чёрные дыры. Хорошая новость в том, что, будем надеяться, в ближайшие несколько лет у нас появится новый инструмент, который позволит нам это сделать.
|
|
|
|
Существуют две основные теории о максимальной скорости вращения чёрной дыры. Первая теория, разработанная Кипом Торном в 1970-х годах, предполагает, что максимальная скорость вращения чёрной дыры составляет 99,8% от скорости света — и единственное, что её сдерживает, это фотоны, испускаемые аккреционным диском, которые отталкивают саму чёрную дыру от её вращения.
|
|
|
|
Вторая теория, выдвинутая в 2004 году Чарльзом Гамми из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и его соавторами, утверждает, что максимальная скорость вращения чёрной дыры составляет 93,75% от скорости света. Она сдерживается сильно намагниченными струями, которые фактически тормозят вращение чёрной дыры, заставляя её вращаться медленнее.
|
|
|
|
|
|
|
На протяжении десятилетий ведутся споры о том, какая из этих двух максимальных скоростей вращения является правильной. А недавно мы собрали множество ранее невиданных данных о физических свойствах чёрных дыр. Так можем ли мы сейчас раз и навсегда разрешить этот спор?
|
|
|
|
Простой ответ — нет. Наши нынешние телескопы просто недостаточно хороши. Лучшее, что у нас есть, — это телескоп горизонта событий (EHT), который, как известно, около 10 лет назад получил первое прямое изображение черной дыры. EHT — это настоящее чудо инженерной мысли, координирующее работу радиотелескопов со всего мира для создания единого когерентного изображения. Но даже в лучшем случае его разрешение ограничено 20 микросекундами дуги.
|
|
|
|
Чтобы определить, сможет ли EHT различать скорости вращения черной дыры с таким разрешением, авторы обратились к очень продвинутой модели, называемой трехмерным моделированием общей релятивистской магнитогидродинамики (GRMHD). Затем они смоделировали Sgr A* так, как если бы он вращался с теоретическими максимальными пределами, и позволили модели имитировать плазменное кольцо, вращающееся вокруг него. Затем они использовали программное обеспечение для трассировки лучей, подобное тому, что используется в видеоиграх, для генерации синтетических радиоизображений, которые потенциально могли бы быть получены EHT.
|
|
|
|
|
|
К сожалению, черные дыры, вращающиеся с любой из этих максимальных скоростей вращения, выглядят идентично данным EHT. Общая скорость аккреции плазмы практически одинакова в обеих моделях. А релятивистские струи, создаваемые черной дырой, практически неотличимы в данных EHT. Возможно, самое важное, что при разрешении EHT кривые блеска, линейная и круговая поляризация сигналов почти полностью совпадают.
|
|
|
|
Так если EHT не может различить эти две модели вращения, то что же может? Ответ может заключаться в другой, более труднообнаружимой особенности непосредственного окружения черной дыры — ее фотонном кольце. Внутри размытого кольца плазмы на изображениях, подобных тем, что созданы EHT, находится исчезающе тонкий, но невероятно яркий круг света. Это фотонное кольцо, состоящее из световых лучей, которые были захвачены гравитацией черной дыры, совершили по крайней мере один оборот вокруг нее, а затем вырвались к Земле, чтобы быть обнаруженными датчиками здесь, если они достаточно чувствительны.
|
|
|
|
Но ни один датчик на Земле не может достичь такого уровня чувствительности — порядка 5 мкс. К счастью, вскоре мы, возможно, не будем ограничены датчиками на Земле. Представляем Black Hole Explorer (BHEX). Эта миссия в настоящее время находится на стадии проектирования как малая исследовательская миссия НАСА, запланированная на ближайшее десятилетие. Ее цель — разместить радиотелескоп на околоземной орбите и позволить ему работать в тандеме с ключевыми компонентами EHT, такими как телескоп Грин-Бэнк (GBT) или Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая антенная решетка (ALMA). Расширяя EHT в космос, BHEX должен создать интерферометр, достаточно большой для непосредственного наблюдения фотонного кольца Sgr A*.
|
|
|
|
Если и когда он будет запущен, BHEX будет иметь решающее значение для определения точной формы этого кольца вокруг Sgr A*. И хотя наша местная черная дыра, возможно, не вращается с максимальной скоростью, разрешенной законами физики, он, по крайней мере, может указать нам направление, которое нам нужно будет искать, чтобы определить эту максимальную скорость. В конечном итоге, дискуссия, которая длится десятилетиями, может быть завершена лишь через несколько лет, но каким именно будет этот ответ.
|
|
|
|
Источник
|
