Исследователи использовали данные радиотелескопов по всему миру за два десятилетия, чтобы подтвердить вращение галактики M87, наблюдая за колебанием ее сверхмассивной струи черной дыры. Это открытие знаменует собой крупный прогресс в исследованиях черных дыр. Сверхмассивная черная дыра в центре галактики M87, известная первой фотографией тени черной дыры, создала еще одно новшество: было показано, что струя, испускаемая черной дырой, колеблется, что непосредственно доказывает, что черная дыра вращается.
Принципиальная схема модели наклоненного аккреционного диска. На этой диаграмме предполагается, что ось вращения черной дыры направлена вверх и вниз. Направление струи практически перпендикулярно плоскости диска. Несовпадение между осью вращения черной дыры и осью вращения диска вызывает наклон диска и струй вперед. Источник: Цуй Ючжу и др. (2023), IntouchableLab@Openverse и Лаборатория Чжицзян
Сверхмассивные черные дыры — это монстры в миллиарды раз тяжелее Солнца, которые пожирают все вокруг, включая свет, и их трудно изучать, поскольку никакая информация не может ускользнуть изнутри. Теоретически существует очень мало свойств, которые мы можем измерить. Одним из свойств, которое можно наблюдать, является вращение, но из-за связанных с этим трудностей прямых наблюдений вращения черной дыры не проводилось.
Двадцать лет наблюдений выявили доказательства
Чтобы найти доказательства вращения черной дыры, международная группа проанализировала наблюдения за галактикой M87 за более чем два десятилетия. Эта галактика расположена на расстоянии 55 миллионов световых лет в направлении Девы. В нем находится черная дыра с массой в 6,5 миллиардов раз большей солнечной. Первое изображение тени черной дыры, полученное телескопом Event Horizon (EHT) в 2019 году, также является этой черной дырой. Как мы все знаем, сверхмассивная черная дыра в M87 имеет аккреционный диск и джет. Первый отправляет вещество в черную дыру, а второй выбрасывает вещество из окрестностей черной дыры со скоростью, близкой к скорости света.
(Вверху) Структура струи M87 на частоте 43 ГГц в среднем каждые два года в период с 2013 по 2018 год. Соответствующий год отмечен в верхнем левом углу. Белые стрелки указывают угол положения струи на каждом подрисунке. (Внизу) Наблюдаемая эволюция направления струи с 2000 по 2022 год. Зеленая и синяя точки соответствуют данным наблюдений на частотах 22 и 43 ГГц соответственно. Красная линия представляет собой наиболее подходящую синусоидальную кривую с периодом 11 лет. Источник: YuzhuCui et al. (2023)
Исследовательская группа проанализировала 170 периодов времени данных, собранных сетью VLBI Восточной Азии (EAVN), массивом очень длинной базовой линии (VLBA), комбинированным массивом KVN и VERA (KaVA) и сетью VLBI региона Восточной Азии и Италии (EATING). В исследовании приняли участие более 20 радиотелескопов по всему миру.
Результаты и значимость исследования
Результаты показывают, что гравитационные взаимодействия между аккреционным диском и вращением черной дыры заставляют основание струи раскачиваться или наклоняться вперед, почти так же, как гравитационные взаимодействия внутри Солнечной системы заставляют Землю наклоняться вперед. Команда успешно связала динамику джета с центральной сверхмассивной черной дырой, предоставив прямое доказательство того, что черная дыра действительно вращается. Изменение направления струи составляет около 10 градусов, а период прямой тяги — 11 лет, что согласуется с теоретическим моделированием суперкомпьютера, проведенным Национальной астрономической обсерваторией Японии (NAOJ) ATERUIII.
«Мы воодушевлены этим важным открытием», — сказал Цуй Юйчжу, первый автор статьи. Цуй Ючжу был аспирантом Национальной астрономической обсерватории Японии, а затем работал научным сотрудником в Чжэцзянской лаборатории. Поскольку рассогласование между черной дырой и звездным диском относительно невелико, а период упреждения составляет около 11 лет, накопление данных высокого разрешения, отслеживающих структуру M87 в течение более двух десятилетий, и проведение углубленного анализа являются ключом к достижению этого результата. "
Доктор Кадзухиро Хада из Национальной астрономической обсерватории Японии объяснил: «После успешного получения изображения черной дыры в этой галактике с помощью EHT вопрос о том, вращается ли эта черная дыра, был в центре внимания ученых. Теперь ожидание стало определенным. Эта чудовищная черная дыра действительно вращается».
Доктор Мотоки Кино из Университета Когакуин, координатор Рабочей группы по изучению активного галактического ядра Восточно-Азиатской сети РСДБ, сказал: «Это захватывающая научная веха, наконец-то обнаруженная в результате многолетних совместных наблюдений международной группы исследователей из 45 институтов по всему миру. Наши данные наблюдений хорошо согласуются с простыми синусоидами, что приносит новый прогресс в нашем понимании черных дыр и реактивных систем».