Земля и Солнце будут вращаться, а Млечный Путь будет вращаться, так будут ли вращаться черные дыры? Эта проблема, которая беспокоила физиков более 50 лет, недавно была решена группой международного сотрудничества во главе с группой китайских ученых. Они не только подсчитали, что период прецессии джетов галактики M87 составляет около 11 лет, сломав предыдущее впечатление о том, что направление струй M87 не изменилось, но и получили наиболее убедительные доказательства вращения черной дыры.
Поздно вечером 27 сентября ведущий международный академический журнал Nature опубликовал в Интернете это ошеломляющее открытие. В анимационной симуляции черная дыра M87 вращается как волчок, готовый остановиться, раскачиваясь и вращаясь в глубокой Вселенной. Хотя все это, кажется, не имеет ничего общего с текущими базовыми потребностями людей, возможно, люди вспомнят об этом моменте, когда будут совершать межзвездные путешествия в будущем.
Несколько «аномальных» данных вдохновляют на исследования
В огромной Вселенной существуют сверхмассивные черные дыры в центрах активных галактик. Это загадочное небесное тело, предсказанное Эйнштейном почти сто лет назад, наконец, было впервые сфотографировано в виде силуэта в 2019 году.
Масса и спин — два основных параметра черной дыры. В настоящее время существуют зрелые методы оценки массы черных дыр, но вращаются ли черные дыры, до сих пор остается загадкой.
В 1963 году астрономы теоретически доказали существование вращения черной дыры. Открытие гравитационных волн в 2016 году предоставило косвенное доказательство «вращения черной дыры» — когда две черные дыры вращаются и сливаются, они будут тянуть окружающее пространство и время, вызывая «пространственно-временную рябь» гравитационных волн.
Итак, как мы можем получить более прямое доказательство вращения черной дыры? В 2017 году, когда Цуй Ючжу, который учился на докторскую степень в Национальной астрономической обсерватории Японии/Аспирантуре Японского университета, обрабатывал данные о струях восточноазиатской сети наблюдений за интерференцией со сверхдлинной базой (VLBI) в центральной черной дыре галактики M87, он обнаружил, что струйная структура M87 в 2017 году указывала в другом направлении, чем предыдущая структура.
▲Структура струи M87 объединялась каждые два года с 2013 по 2020 год (диапазон частот наблюдения 43 ГГц). Соответствующий год отображается в левом верхнем углу. Белые стрелки указывают направление оси струи на каждом подрисунке (обозначают различные углы положения струи). (YuzhuCuetal.2023)
Когда материал вокруг черной дыры поглощается черной дырой, он излучает чрезвычайно яркий свет и выглядит как блестящий плоский диск, называемый аккреционным диском. После того, как материя засасывается в черную дыру, огромный угловой момент, который она несет, в конечном итоге выбрасывается из черной дыры в виде струи. Из-за этого черные дыры, аккреционные диски и джеты выглядят как гигантские космические волчки.
«Сброс черной дыры M87 очень яркий, его длина составляет 5000 световых лет. Раньше все всегда думали, что угол ее струи постоянен». Цуй Ючжу сказал, что некоторые данные показывают, что угол струи на самом деле отличается от того, что было известно ранее.
«Это ошибка наблюдения или означает, что струя вращается?» Задав этот вопрос, Цуй Юйчжу запросил около 170 данных наблюдений черной дыры M87 из международной сети наблюдений VLBI с 2000 по 2022 год и обнаружил, что ее угол действительно меняется.
В результате более 70 коллег из 45 учреждений в 10 странах мира работали с Цуй Ючжу над организацией, анализом и моделированием соответствующих данных. После шести лет упорной работы они наконец определили, что реактивный самолет М87 должен вращаться вокруг «невидимой оси» с периодом около 11 лет. Черная дыра в центре M87 должна находиться в состоянии вращения.
Линь Вэйкан, научный сотрудник Института астрономии Юго-Западного Китая при Университете Юньнани, сказал, что благодаря компьютерной подборке данных периодические изменения направления струи очень соответствуют оси вращения черной дыры. «Это напрямую доказывает существование вращения черной дыры».
Десятилетия РСДБ-наблюдений привели к накоплению знаний
В известной человеку Вселенной М87 — звездная галактика. Он большой, его масса примерно в 6,5 миллиардов раз больше солнечной; он расположен близко к Земле, всего в 55 миллионах световых лет от Земли, что делает его одним из лучших объектов для наблюдения астрономами. Еще в 1918 году люди открыли джет М87, став первым небесным телом во Вселенной, открывшим джет.
С тех пор реактивный самолет М87 стал объектом наблюдения крупнейших радиотелескопов Земли. Особенно после того, как глобальная сеть радиотелескопов создала сеть наблюдений VLBI, точность данных наблюдений M87 продолжает улучшаться. Данные, использованные в этом исследовании, имеют самый большой временной интервал и самый большой объем данных в сети наблюдений РСДБ.
▲Распределение телескопов, участвующих в этой статье, в сети наблюдений EATING, состоящей из восточноазиатской сети VLBI и итальянских/российских радиотелескопов (YuzhuCuietal.2023, IntouchableLab@Openverse и лаборатории Чжицзян)
«Ключевые данные, обнаруженные на этот раз, в основном были получены благодаря повышению точности восточноазиатской сети VLBI, а основные данные предоставили телескоп Тяньма в Шешане, Шанхай, и 26-метровый радиотелескоп в Наньшане, Синьцзян». Цуй Юйчжу сообщил журналистам, что в этом исследовании приняли участие в общей сложности 26 отечественных коллег.
Еще в 1986 году Шанхайская обсерватория построила 25-метровый радиотелескоп Шешань, в 1991 году стала членом консорциума Европейской РСДБ-сети, а в 1998 году участвовала в наблюдениях международной РСДБ-сети. В 2017 году было завершено строительство 65-метрового телескопа Тианма, который присоединился к международной РСДБ-сети. Шэнь Чжицян, директор Шанхайской обсерватории Китайской академии наук, заявил, что благодаря высокой чувствительности телескопа Tianma возможности наблюдения всей сети были улучшены, «особенно качество изображений восточноазиатской сети наблюдений VLBI улучшилось примерно на 50%».
Наньшаньский телескоп Синьцзянской обсерватории расширил диаметр сети восточноазиатских РСДБ-наблюдений с 3000 километров до 5000 километров благодаря своему уникальному географическому положению. Цуй Лан, исследователь Синьцзянской обсерватории Китайской академии наук, рассказал, что этот радиотелескоп диаметром 26 метров присоединился к восточноазиатской сети VLBI в 2017 году и каждый год посвящает 300 часов соответствующим наблюдениям.
Всего две недели назад началось строительство 40-метрового радиотелескопа Сигадзе Шанхайской обсерватории, а также строится 110-метровый радиотелескоп Цитай Синьцзянской обсерватории. Шэнь Чжицян сказал: «В будущем добавление этих восходящих звезд еще больше расширит возможности наблюдения и поможет астрономам открыть еще больше загадок Вселенной».
Открывается новая веха в углубленных исследованиях вращения черной дыры
В прошлом круглогодичные наблюдения за реактивным самолетом M87, проводимые американской антенной решеткой со сверхдлинной базой (VLBA), помогли всем понять многие физические свойства M87. Они думали, что знают о М87 достаточно, поэтому постепенно отменили время наблюдения и перешли к другим объектам наблюдения. Открытие китайских ученых побудило их возобновить долгосрочный план наблюдения за самолетом M87.
В анимации моделирования, если предположить, что направление вращения черной дыры M87 перпендикулярно Земле, ее аккреционный диск похож на гироскоп, образующий определенный угол с землей, а колеблющаяся ось гироскопа представляет собой струю длиной 5000 световых лет. Однако, в отличие от гироскопа, центром движения аккреционного диска является черная дыра в его центре.
«Это очень красивый и чистый результат, а также очень фундаментальное и важное открытие». Лай Донг, профессор Корнеллского университета в США и приглашенный профессор Цунг-Дао в Институте Цунг-Дао Ли Шанхайского университета Цзяо Тонг, упомянул, что и Италия, и Соединенные Штаты запустили спутники, чтобы специально обнаружить эффект пространственно-временного сопротивления небесных тел, но они оказались безуспешными. «Это доказательство существования вращения черной дыры придаст существенный импульс исследованиям этого эффекта».
Сегодня Цуй Ючжу является научным сотрудником лаборатории Чжицзян. Она сказала, что после получения наиболее убедительных доказательств вращения черной дыры все еще остается ряд вопросов, требующих более глубокого изучения: какова скорость вращения черной дыры M87? Является ли спин черной дыры универсальным? Откуда берется внешняя сила, которая приводит в движение черную дыру? Кроме того, вращение, вероятно, будет ключом к образованию струй черных дыр, так принесет ли это новую перспективу в изучении механизма струй материала черных дыр? Все эти вопросы ждут от нее и многих коллег ответов.