Струмінь частинок, що стрімко вилітає з околиць надзвичайної чорної діри, виявився сильно викривленим. Це відкриття є вагомим підтвердженням того, що чорна діра насправді є частиною найекстремальнішої подвійної системи, відомої науці.
Ця чорна діра та її викривлений струмінь знаходяться у блазарі, відомому як OJ 287, що розташований приблизно за чотири мільярди світлових років від нас.
Таємниця блазара OJ 287
Блазар – це різновид квазара, який ми спостерігаємо “в лоб”, тобто майже по лінії струменя. А квазар – це яскраве активне ядро галактики, де місцева надмасивна чорна діра поглинає величезні обсяги матерії. Ця матерія спірально обертається навколо чорної діри, утворюючи так званий акреційний диск. Матерії настільки багато, що акреційний диск стає своєрідним “вузьким місцем”. Замість того, щоб повністю потрапити в чорну діру, падаюча матерія накопичується в диску, її густина і температура різко зростають, і вона світиться настільки яскраво, що її можна побачити через весь Всесвіт. Магнітні поля, загорнуті в акреційний диск, здатні направляти деякі заряджені частинки подалі від чорної діри, колімуючи їх та прискорюючи у двох протилежних струменях. Ці струмені вириваються з чорної діри на тисячі світлових років майже зі швидкістю світла. Оскільки ми бачимо блазари майже “в лоб”, вони здаються ще яскравішими, ніж звичайні квазари.
Однак OJ 287 – це не просто звичайний блазар. Астрономи відстежують його цикли зміни яскравості протягом приблизно 150 років – ще до того, як вони дізналися, що це за об’єкт. Існує довгий цикл, який триває приблизно 60 років, і коротший цикл, період якого становить лише 12 років.
Цей короткий цикл був пояснений існуванням чорної діри-супутника, маса якої приблизно в 150 мільйонів разів перевищує масу Сонця. Вона обертається навколо головної чорної діри, яка, як вважається, має масу, еквівалентну приголомшливим 18,35 мільярдам сонячних мас. Обидві чорні діри є велетенськими порівняно зі Стрільцем А* – чорною дірою масою 4,1 мільйона сонячних мас у центрі нашої галактики Чумацький Шлях.
Менш масивна чорна діра рухається по витягнутій, еліптичній орбіті. Кожні 12 років вона врізається в акреційний диск більш масивної чорної діри. Роблячи це, вона викрадає частину матерії з диска і формує власний тимчасовий акреційний диск, зі своїм тимчасовим струменем. На короткий час система OJ 287 перетворюється на подвійний квазар.
Нові спостереження підтверджують гіпотезу
Принаймні, така гіпотеза. Попередні спостереження, здається, підтверджують цю ідею. Наприклад, у 2021 році, як і було передбачено, система OJ 287 різко збільшила свою яскравість лише за 12 годин, коли друга чорна діра зіткнулася з диском первинної і спалахнула як квазар, вивільнивши за цей короткий час більше енергії, ніж 100 середніх галактик разом узятих.
Тепер найдетальніше зображення з постійного струменя, що виривається з більш масивної чорної діри, отримане мережею радіотелескопів на Землі та в космосі, рішуче підтверджує модель подвійної чорної діри.
«Ми ніколи раніше не спостерігали структуру в галактиці OJ 287 з таким рівнем деталізації, як на новому зображенні», – зазначила радіоастроном Ефталія Трайану з Гейдельберзького університету в Німеччині, яка очолювала спостереження.
Радіоспостереження проводилися шляхом поєднання 10 радіотелескопів Very Long Baseline Array (VLBA) по всій території Сполучених Штатів з 10-метровою антеною RadioAstron на російському супутнику “Спектр-Р”. Спостереження проводились у період з 2014 по 2017 рік, а сама місія завершилася у 2019 році, до того, як Росія вторглася в Україну і потрапила під санкції.
Разом наземно-космічна мережа радіотелескопів утворила інтерферометр з базою (тобто його віртуальною апертурою), яка в п’ять разів перевищувала діаметр Землі. Це забезпечило сенсаційну роздільну здатність. Отримане зображення наближає до центру OJ 287, показуючи область лише в третину світлового року завдовжки. Зображення в радіохвильовому діапазоні демонструє, що струмінь чорної діри не є прямим, а має викривлення з трьома чіткими вигинами. Спостереження між 2014 і 2017 роками також показали, що кут струменя змінювався приблизно на 30 градусів, і це зображення доводить, що переорієнтація струменя відбувається дуже близько до його точки походження.
Ця значна переорієнтація може бути наслідком гравітаційного впливу орбітальної другої чорної діри, що тягне струмінь, змушуючи його вигинатися та прецесувати навколо своєї осі.
Радіохвильові зображення також зафіксували ударну хвилю, що утворилася внаслідок появи нового компонента струменя. Коли ця ударна хвиля поширювалася вгору по струменю, вона вивільнила потік високоенергетичних гамма-променів, які були виявлені, зокрема, космічним телескопом Фермі та місією Свіфт NASA.
Деякі частини струменя, здається, випромінюють при неймовірних 10 трильйонах градусів Цельсія. Така температура здається неможливою для людського досвіду, і справді, ця температура занадто висока, щоб бути правдою. Це ілюзія, де ми бачимо ефект явища, що називається релятивістським променем, коли ефект Допплера збільшує світність об’єктів, що рухаються до нас зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
Перспективи для вивчення гравітаційних хвиль
Як потенційна подвійна чорна діра, OJ 287 має й інші важливі застосування. «Її особливі властивості роблять галактику ідеальним кандидатом для подальших досліджень злиття чорних дір та пов’язаних з цим гравітаційних хвиль», – зауважила Трайану.
Хоча дві запропоновані чорні діри в системі OJ 287 з часом зіткнуться і зіллються, ця грандіозна подія не відбудеться найближчим часом. Однак їх неминуче спіралеподібне зближення вивільняє постійно слабкі гравітаційні хвилі. Наші сучасні детектори гравітаційних хвиль не можуть виявити ці гравітаційні хвилі, оскільки вони надто слабкі, а їхня довжина хвилі надто велика. Потенційно, масиви часу пульсарів, де синхронізація імпульсів від обертових пульсарів, що є регулярними, як годинник, порушується, коли гравітаційні хвилі проходять між нами та пульсарами, могли б виявити гравітаційні хвилі від OJ 287.
У більш віддаленому майбутньому місія Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Європейського космічного агентства, запуск якої очікується в середині 2030-х років, могла б виявити майбутні злиття таких подвійних надмасивних чорних дір, які виробляють гравітаційні хвилі з довжинами хвиль, надто великими для наземних детекторів.
Результати дослідження були опубліковані 30 липня в журналі «Astronomy & Astrophysics».
