Способи харчування чорних дір дають уявлення про їхні маси, повідомили науковці. Результати нового дослідження, оприлюднені в журналі Science, вказують на те, що зміна яскравості (мерехтіння), яку астрономи спостерігають у періоди активного споживання речовини надмасивними чорними дірами, пов’язана з массою цих об’єктів.
Надмасивні чорні діри (Supermassive black holes, SMBHs) в мільйони — мільярди разів масивніші, ніж Сонце і зазвичай містяться в центрі масивних галактик. Коли вони спокійні (перебувають в стані «сну») і не споживають газ та зорі зі свого довкілля, НЧД (надмасивні чорні діри) майже не спричиняють появи випромінювання; єдиний спосіб, яким астрономи можуть їх виявити, — це гравітаційний вплив таких об’єктів на зорій газ поблизу них. Однак у ранньому Всесвіті, коли НЧД швидко зростали, вони активно «харчувалися» чи нарощували масу — інтенсивно й у великій кількості споживали речовину. Такий процес спричиняв появу сильного випромінювання з околиць НЧД. Дослідники кажуть, що іноді воно затьмарювало всю галактику, де містяться ці об’єкти.
Нове дослідження під керівництвом аспіранта Іллінойського університету в Урбана-Шампейн Коліна Берка (ColinBurke) та професора Юе Шена (YueShen) виявило чітку залежність між кількістю спожитої маси у процесі активного харчування НЧД та характерною шкалою часу в мерехтінні випромінювання (далі в тексті використано термін світло — Ред.).
Спостережуване світло від НЧД, які нарощують свою масу, не постійне. Через фізичні процеси, які ще не вивчені, воно відображає глобальне коливання випромінювання в часових межах від годин до десятиліть. «Було багато досліджень, які вивчали можливі зв’язки спостережуваного мерехтіння та маси НЧД, але результати були непереконливими, а іноді й суперечливими», — сказав Берк.
Наукова група зібрала великий набір даних про НЧД з активним харчуванням, щоб вивчити характер змінності мерехтіння. Науковці встановили характерну шкалу часу, протягом якого відбуваються ці зміни, й виявили її тісну кореляцію з масою НЧД. Потім дослідники порівняли результати із даними для білих карликів (залишки зір типу Сонця), які нарощують масу, і виявили: співвідношення часових масштабів і маси має місце, навіть якщо білі карлики в мільйони, а то й до мільярда разів, менш масивні, ніж НЧД.
Діаграма, що ілюструє шкали часу на яких проявляються зміни випромінювання від надмасивних чорних дір. Фото з сайту https://phys.org.
Мерехтіння світла є випадковими коливаннями у процесі харчування чорної діри, кажуть дослідники. Астрономи можуть кількісно оцінити картину мерехтіння, вимірявши величину його коливань з плином часу, тобто як функцію на шкалі часу. Для чорних дір малої та середньої маси характер мінливості змінюється в межах короткі — довгі проміжки часу. Картина мінливості для більш масивних чорних дір інша: коливання кількості випромінювання відбувається з характерним періодом часу, який є тривалішим, ніж для об’єктів меншої маси.
Науковці порівняли поглинання речовини чорною дірою з харчуванням людини, коли настає відрижка. Немовлята часто відригують під час вживання молока, натомість у дорослих відрижка може трапитися через триваліший час після споживання їжі. Чорні діри роблять те саме під час харчування, кажуть вчені.
«Ці результати вказують на те, що процеси, які спричиняють мерехтіння під час акреції, є універсальними. Незалежно від природи центрального об’єкта, тобто як для надмасивної чорної діра, такі для набагато легшого білого карлика», — сказав Шен.
«Чітке встановлення зв’язку між спостережуваним мерехтінням світла та основними властивостями об’єкта акреції, безумовно, допоможе нам краще зрозуміти процеси аккреції»,— сказав Ян-Фей Цзян (Yan-Fei Jiang), науковець з Інституту Флатірон (Flatiron Institute) та співавтор дослідження.
Чорні діри мають широкий спектр маси та розмірів. Між популяцією чорних дір зоряної маси (їхня маса в кілька десятків разів більша маси Сонця) і НЧД, існує популяція цих об’єктів, які називаються чорними дірами середньої маси (intermediate-mass black holes, IMBHs). Їхня маса приблизно в 100—100000 разів більша, ніж маса Сонця.
Згідно з нинішніми уявленнями, упродовж існування Всесвіту сформувалася велика кількість IMBH і вони можуть бути «насінням», яке згодом виростає до стану надмасивних чорних дір. Проте зі спостережнь популяцію IMBH виявити дуже складно. Існує лише одна однозначно підтверджена IMBH, маса якої приблизно в 150 разів більше маси Сонця. Її випадково виявили після реєстрації гравітаційної хвилі, що виникла внаслідок злиття двох чорних дір меншої маси.
«Тепер, коли існує зв’язок між картиною мерехтіння і масою центрального об’єкта, що зростає, ми можемо використовувати його для прогнозування того, яким буде сигнал мерехтіння від IMBH», — сказав Берк.
Астрономи всього світу чекають офіційного початку епохи масових оглядів, які відстежуватимуть динамічне та змінне небо. Обсерваторія Віри К. Рубін, що виконуватиме огляд спадщини простору та часу (Legacy Survey of Space and Time) з території Чилі, спостерігатиме небо протягом десятиліття та збиратиме змінні дані для мільярдів об’єктів, починаючи з кінця 2023 року.
«Виявлення даних LSST для пошуку зразків мерехтіння, які відповідають змінам випромінювання відIMBH, що набирають масу, має потенціал для виявлення та повного розуміння цієї довгоочікуваної таємничої популяції чорних дір», — зазначив співавтор дослідження Синь Лю (XinLiu), професор астрономії Іллінойського університету.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
