Середнячка вычислили по аппетиту

Открытие, о котором сообщила пресс-служба Годдардовского центра космических полетов NASA (США), сделано бывшими сотрудниками Института космических исследований (ИКИ РАН), а ныне работниками центра, под руководством американцев Тода Стромайера и Ричарда Мышоцки. Ученые исследовали ультраяркий рентгеновский источник в галактике NGC 5408. Эта галактика неправильной формы находится в 16 миллионах световых лет от Земли в созвездии Центавра. Наблюдения за объектом вели с помощью рентгеновской орбитальной обсерватории XMM-Newton (ЕКА).

После обработки полученных результатов астрофизики пришли к выводу, что перед ними находится черная дыра массой около 2 тысяч масс Солнца. Вывод способен, по сути, перевернуть многие представления об эволюции звезд.

До недавнего времени ученые находили черные дыры лишь двух классов. Масса первых находится в пределах от 5 до 20 масс Солнца (эти небольшие объекты обычно входят в состав рентгеновских двойных систем), вторые весили как миллионы или даже миллиарды Солнц. Эти гиганты прячутся в центрах галактик. А «среднее звено», или черные дыры промежуточных масс (сотен и тысяч масс Солнца), фактически до настоящего времени оставались спорной гипотезой. Некоторые теории звездной эволюции предсказывали, что таковых в природе быть не может. А другие полагали, что они есть и только ждут своего открытия.

Нынешнее открытие – безусловно, сильный аргумент в пользу существования черных дыр промежуточных масс. Но главная интрига работы ученых состоит даже не столько в самом открытии, сколько в новом методе определения массы черной дыры, который основывался на данных о рентгеновском излучении от объекта. Этот метод предложил еще в 1998 году Лев Титарчук, сейчас профессор университета Джорджа Мейсона в Фэйрфаксе и сотрудник Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне (США) и Годдардовского центра космических полетов NASA (США).

Обычно для определения массы черной дыры используются оптические данные о звезде-компаньоне в двойной системе: по особенностям ее движения вокруг компактного объекта можно восстановить массу последнего. Но этот способ неудобен тем, что требует определенного положения двойной системы относительно наблюдателя.

Новый метод определения массы связывает ее с особенностями рентгеновского излучения от источника. Основан он на любопытном явлении, которое также было описано Львом Титарчуком. Черные дыры в двойных системах обладают очень сильным гравитационным полем и поэтому постепенно «стягивают» на себя вещество компаньонов – обыкновенных оптических звезд. Это вещество, однако, «падает» на центральный объект далеко не сразу. Вначале вокруг черной дыры образуется так называемый аккреционный диск.

Скорость вращения вещества в аккреционном диске очень велика – 5–30% скорости света. Скорость же вращения черной дыры гораздо меньше, по-видимому, в 5–6 раз. «Вещество в диске должно «подстроиться» к вращению черной дыры, – объяснил корреспонденту «Газеты.Ru» Лев Титарчук. – Оно замедляется по мере приближения к центру, и в итоге скапливается во внутреннем участке аккреционного диска. Этот процесс можно сравнить с автомобильной пробкой, которая появляется после аварии. Скорость машин в месте аварии резко падает, а в итоге замедляется и движение всего предшествующего потока. Чем плотнее поток машин на автостраде, тем плотнее поток в пробке».

Впрочем, эту аналогию надо принимать с уточнениями: люди стараются тормозить, чтобы не ударить впереди идущую машину, поэтому расстояние от машины до машины остается фиксированным, а в потоке вещества расстояние между частицами уменьшается с увеличением потока, и, как следствие, уменьшается и размер «пробки».

Чем более массивна черная дыра, тем более отдалена от нее «пробка». Размер ее зависит от количества вещества, которое успевает пройти через диск в единицу времени, – иначе говоря, от темпа аккреции. Кроме того, рентгеновское излучение «пробки» также напрямую зависит от темпа аккреции: чем выше последний, тем ниже энергия испускаемых «пробкой» фотонов. То есть тем «мягче» их спектр.

«Аналогию с автомобильной пробкой можно продолжить. Если вы на своей машине не успели снизить скорость перед затором, то в результате бьете свою машину. Так же происходит и в аккреционном диске: вещество не успевает «подстроиться» к снизившейся скорости, на границе пробки образуется ударная волна, и «пробка» начинает динамически «дышать», – объясняет Лев Титарчук. – А наблюдатель видит колебания мощности рентгеновского сигнала, которые мы назвали квазипериодическими осцилляциями (quasi-periodic oscillations, или QPO). Они также растут вместе с темпом аккреции. И мы показали, что частота этих колебаний обратно пропорциональна массе центрального объекта: чем массивнее черная дыра, тем ниже частота QPO».

Единственная тонкость заключается в том, что этим методом определяется только относительная масса объекта. Для определения собственно массы по рентгеновскому потоку от источника требуется иметь «образец» для сравнения.

Или, другими словами, знать точную массу хотя бы одного объекта по оптическим наблюдениям и иметь данные о его рентгеновском излучении и частотах QPO. А затем, сравнивая с ними рентгеновские данные от других объектов, восстанавливать их массу.

Используя этот способ, Льву Титарчуку удалось определить массу уже семи объектов – шести галактических и одного внегалактического. Важно, что полученные числа для нескольких объектов хорошо совпали с уже имеющимися оценками их масс, полученными на основании оптических наблюдений.

В своей последней статье (выйдет в июльском номере Astrophysical Journal), написанной в соавторстве с Николаем Шапошниковым, также сотрудником Годдардовского центра космических полетов NASA, Титарчук рассмотрел три источника. Среди них два микроквазара GRO J1655-40, GRS 1915+105 и, наверное, самая популярная рентгеновская двойная система с черной дырой Cyg X-1. Это очень яркий источник в созвездии Лебедя, который и стал первым в истории астрофизики объектом, рассматриваемым как кандидат в черные дыры.

Блестящий анализ Шапошникова данных орбитальной обсерватории Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE) позволил впервые определить массу черной дыры Cyg X-1 с очень высокой точностью (лучше, чем 10%) – около 8,7±0,8 масс Солнца.

Единственный же внегалактический источник, обнаруженный чуть раньше, в 2005 году, – объект M82 X-1, находящийся в галактике M82. По оценкам авторов, он также является черной дырой с массой около 250 масс Солнца.

Итак, теперь астрофизикам известны два объекта, которые очень похожи на черные дыры промежуточных масс. Оба они принадлежат другим галактикам, что, по словам автора метода, не удивительно.

«В нашей галактике также, вероятно, есть такие черные дыры, – объяснил «Газете.Ru» Лев Титарчук. – Но они, по-видимому, сосредоточены ближе к центру Млечного Пути – области, которая скрыта от нас пылью и газом. А так как спектр рентгеновского излучения таких объектов очень мягкий, то оно почти полностью поглощается этой «завесой» и мы их просто не видим. Кроме того, такие черные дыры, видимо, живут очень недолго – их очень быстро «съедает» центральная сверхмассивная черная дыра. В других же галактиках наблюдать центральные области гораздо проще: ведь мы фактически можем смотреть на них сверху, как на плоское блюдце, поэтому и выше шанс обнаружить такие объекты».

Возможно, в ближайшем будущем число найденных черных дыр промежуточных масс может значительно увеличиться. А значит, серьезно изменятся и теории звездной эволюции, а также прояснится сама проблема черных дыр – одних из самых загадочных объектов нашей Вселенной. Само их существование пока, по большому счету, большая загадка. То есть известны объекты, которые, по-видимому, можно считать черными дырами, однако до сих пор это доказывается только косвенными методами. И астрофизикам еще предстоит найти свойство, которое однозначно охарактеризует наблюдаемые объекты как черные дыры.