Рентгеновские лучи показывают вращающиеся черные дыры

Подобно водоворотам в океане, вращающиеся черные дыры в космосе создают вращающийся поток вокруг них. Тем не менее, черные дыры не создают вихри ветра или воды. Они вращают диски газа и пыли, нагретые до сотен миллионов градусов, которые светятся в рентгеновском свете.

Используя данные рентгеновской обсерватории Чандра, астрономы применили новую методику для измерения вращения пяти сверхмассивных черных дыр. Вещество в одном из этих космических вихрей вращается вокруг своей черной дыры со скоростью, превышающей 70% скорости света.

Астрономы воспользовались природным явлением, называемым гравитационной линзой. При правильном выравнивании изгиб пространства-времени массивным объектом, таким как большая галактика, может увеличивать и создавать множество изображений удаленного объекта, как предсказывал Эйнштейн.

В этом последнем исследовании астрономы использовали Чандру и гравитационное линзирование для изучения шести квазаров, каждый из которых состоит из сверхмассивной черной дыры, быстро поглощающей вещество из окружающего аккреционного диска. Гравитационное линзирование света от каждого из этих квазаров промежуточной галактикой создало несколько изображений каждого квазара. Четкая способность Чандры к изображению необходима для разделения множества линзовых изображений каждого квазара.

Ключевой прогресс, достигнутый учеными в этом исследовании, заключался в том, что они воспользовались «микролинзированием», когда отдельные звезды в галактике обеспечивали дополнительное увеличение света от квазара. Более высокое увеличение означает, что меньшая область производит рентгеновское излучение.

Затем исследователи использовали свойство, заключающееся в том, что вращающаяся черная дыра увлекает за собой пространство и позволяет веществу двигаться по орбите ближе к черной дыре, чем это возможно для невращающейся черной дыры. Следовательно, меньшая излучающая область, соответствующая узкой орбите, обычно подразумевает более быстро вращающуюся черную дыру. Из анализа микролинзирования авторы пришли к выводу, что рентгеновское излучение исходит из такой маленькой области, что черные дыры должны быстро вращаться.

Результаты показали, что одна из черных дыр в линзовом квазаре, называемом «крестом Эйнштейна», вращается с максимальной или почти максимальной скоростью. Это соответствует горизонту событий, точке невозврата черной дыры, вращающейся со скоростью света, которая составляет около 1080 миллионов километров в час. Четыре другие черные дыры в вращаются, в среднем, примерно с половиной этой максимальной скорости. (у 6-й не получилось оценить вращение.)

Для креста Эйнштейна рентгеновское излучение исходит от части диска, размер которой примерно в 2,5 раза больше горизонта событий, а для остальных 4 квазаров рентгеновское излучение исходит из области, в четыре-пять раз превышающей размер горизонта событий.

Как эти черные дыры могут вращаться так быстро? Исследователи считают, что эти сверхмассивные черные дыры, вероятно, выросли, накапливая большую часть своего материала в течение миллиардов лет из вращающегося аккреционного диска с аналогичной ориентацией и направлением вращения, а не из случайных направлений. Как карусель, которую продолжают толкать в одном направлении, черные дыры продолжали набирать скорость.

Рентгеновские лучи, обнаруженные Чандрой, генерируются, когда аккреционный диск, окружающий черную дыру, создает облако температурой несколько миллионов градусов, или корону, над диском около черной дыры.

Рентгеновские лучи от этой короны отражаются от внутреннего края аккреционного диска, а сильные гравитационные силы вблизи черной дыры искажают спектр отраженного рентгеновского излучения, то есть количество рентгеновских лучей, видимых при разных энергиях. Большие искажения, наблюдаемые в рентгеновских спектрах изученных квазаров подразумевают, что внутренний край диска должен быть близок к черным дырам, что еще раз свидетельствует о том, что они должны быстро вращаться.

Квазары расположены на расстоянии от 8,8 миллиардов до 10,9 миллиардов световых лет от Земли, а массы черных дыр в 160-500 миллионов раз больше массы Солнца.

Xinyu Dai et al. Constraining Quasar Relativistic Reflection Regions and Spins with Microlensing, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab1d56