Как близко вы можете добраться до черной дыры?

Эти смертельные погружения слишком далеки, чтобы их можно было увидеть непосредственно, но астрономы разработали новую технику для обнаружения их панических криков о помощи. Они используют метод для проверки наших знаний о гравитации в самых экстремальных условиях во вселенной. В новом исследовании физики изучили специфические особенности этого света, чтобы выяснить, насколько близко вы можете подобраться к черной дыре, не прилагая больших усилий для предотвращения катастрофы-порог, называемый самой внутренней стабильной круговой орбитой или ICSO.

Горизонт Событий черной дыры — это невидимая линия, через которую вы никогда не сможете вернуться. Как только что-либо проходит через горизонт событий, даже сам свет, оно уже не может вернуться во Вселенную. Гравитация черной дыры просто слишком сильна в этой области. Однако за пределами черной дыры все просто хорошо. Конкретная черная дыра будет иметь определенную массу (в несколько раз больше массы Солнца у более мелких в галактике и до миллиардов раз тяжелее для настоящих монстров, бродящих по космосу), и орбита черной дыры будет точно такой же, как орбита любого другого объекта с одинаковой массой.

Действительно, многие вещества во Вселенной вращаются вокруг черных дыр. Как только эти безрассудные авантюристы попадают в гравитационные объятия черной дыры, они начинают путешествие к концу. Когда материал падает к черной дыре, он начинает сжиматься в тонкую как бритва полосу, известную как аккреционный диск. Этот диск вращается и вращается, а тепло, трение, магнитные и электрические силы питают его, заставляя материал ярко светиться. В случае самых массивных черных дыр аккреционные диски вокруг них светятся настолько интенсивно, что получили новое название: активные галактические ядра (AGN), способные затмить миллионы отдельных галактик.

В аккреционном диске отдельные куски материи соприкасаются с другими кусочками, отбирая у них энергию вращения и направляя их все дальше внутрь, к зияющей пасти горизонта событий черной дыры. Но все же, если бы не эти силы трения, вещество могло бы вращаться вокруг черной дыры бесконечно, точно так же, как планеты могут вращаться вокруг Солнца миллиарды лет.

Но когда вы приближаетесь к центру черной дыры, вы достигаете определенной точки, где все надежды на стабильность разбиваются о «камни» гравитации. Сразу за пределами черной дыры, но до достижения горизонта событий, гравитационные силы настолько сильны, что стабильные орбиты становятся невозможными. Как только вы достигнете этой области, вы не сможете оставаться на спокойной орбите. У вас есть только два варианта: если у вас есть ракеты или какой-то другой источник энергии, вы можете улететь в безопасное место. Но если вы несчастный кусок газа, вы обречены свободно падать к ожидающему темному кошмару внизу.

Эта граница, самая внутренняя стабильная круговая орбита (ICSO), является твердым предсказанием общей теории относительности Эйнштейна, той самой теории, которая предсказывает существование черных дыр в первую очередь. Несмотря на успехи общей теории относительности в предсказании и объяснении явлений во Вселенной, а также на наше знание того, что черные дыры реальны, мы так и не смогли проверить существование ICSO и его соответствие предсказаниям общей теории относительности. Но газ, который падает до гибели, может дать нам возможность проверить это.

Команда астрономов недавно опубликовала статью в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, которая также была загружена в препринт журнала arXiv, в которой говорится как использовать этот умирающий свет для изучения ICSO. Их техника основана на астрономическом трюке, известном как реверберационное отображение, которое использует тот факт, что различные области вокруг черной дыры освещаются по-разному.

Когда газ течет из аккреционного диска мимо ICSO— самой внутренней части аккреционного диска — и попадает в саму черную дыру, он становится настолько горячим, что испускает широкую полосу высокоэнергетического рентгеновского излучения. Этот рентгеновский луч светит во всех направлениях от черной дыры. Мы можем видеть это излучение, но детали структуры аккреционного диска теряются. Тот же самый рентгеновский свет также освещает области далеко за пределами аккреционного диска, области, в которых преобладают сгустки холодного газа. Холодный газ получает энергию от рентгеновских лучей и начинает излучать свой собственный свет, в процессе, называемом флуоресценцией. Мы также можем обнаружить это излучение, отдельно от рентгеновской вспышки, исходящей из ближайших к черной дыре областей.

Свету требуется некоторое время, чтобы переместиться наружу от Иско и внешней части аккреционного диска к холодному газу; если мы внимательно посмотрим, то сначала увидим вспышку в центральной области (Иско и самые внутренние части аккреционного диска), за которой вскоре следует «реверберационный» свет слоев вне Иско и непосредственно окружающего аккреционного диска. Время и детали отраженного света зависят от структуры аккреционного диска, который астрономы ранее использовали для оценки массы черных дыр. В этом самом последнем исследовании исследователи использовали сложное компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как движение газа внутри ICSO (как газ умирает, когда он в конце концов падает к горизонту событий черной дыры) влияет на испускание рентгеновских лучей как вблизи, так и во внешнем газе.

Следующее поколение рентгеновских телескопов должно быть в состоянии подтвердить существование ICSO и проверить, согласуется ли оно с предсказаниями общей теории относительности в самых гравитационно экстремальных областях всей Вселенной.