Мы привыкли воспринимать черные дыры как безликие «пожиратели всего», однако на самом деле они вращаются с невероятной скоростью, приближающейся к скорости света. Понимание этой скорости критически важно для того, чтобы осознать, как черные дыры воздействуют на окружающий газ, формируют джеты и влияют на эволюцию галактик.
Существует две основные теории относительно предельной скорости черной дыры. Кип Торн еще в 1970-х годах провел расчеты, согласно которым черная дыра может вращаться до 99,8% скорости света; при этом дальнейшее ускорение ей препятствуют фотоны, излучаемые горячим аккреционным диском, создавая своеобразное световое сопротивление. В 2004 году Чарльз Гэмми и его коллеги выдвинули другую гипотезу: мощные магнитные джеты, выбрасываемые быстро вращающейся дырой, функционируют как «тормоза», не позволяя ей разогнаться быстрее примерно 93,75% скорости света.
С появлением новых наблюдений, сделанных с помощью современных технологий, в частности Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT), который предоставил первые прямые изображения черных дыр, этот вопрос можно было бы прояснить. Однако расчеты астрономов из Университета Вирджинии под руководством Тиган Томас показывают, что решить эту задачу пока не представляется возможным.
EHT объединяет радиотелескопы по всему миру в единый виртуальный прибор с разрешением около 20 микросекунд дуги. Ученые провели сложные трехмерные GRMHD-симуляции окрестностей Стрельца A* — сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути — при двух предельных вариантах скорости вращения. Они моделировали поведение плазмы в диске и джетах, а затем с помощью трассировки лучей создали синтетические радиоснимки, которые мог бы увидеть EHT.
Оказалось, что для текущего разрешения EHT черная дыра, вращающаяся на 93,75% и на 99,8% скорости света, выглядит почти одинаково. Скорость аккреции плазмы и структура джетов практически не различимы, а ключевые наблюдаемые параметры — световые кривые, линейная и круговая поляризация излучения — фактически совпадают. Проще говоря, самые современные инструменты, доступные человечеству, не способны различить две возможные скорости вращения черной дыры.
Тем не менее, астрономы возлагают надежды на фотонное кольцо — почти бесконечно узкое кольцо света внутри размытого «пончика» аккреционного диска, которое можно наблюдать на изображениях EHT. Это кольцо образуется лучами, которые один или несколько раз облетели черную дыру по почти замкнутым орбитам, прежде чем вырваться наружу. Видимая форма и размер этого кольца крайне чувствительны к массе и скорости вращения черной дыры. Однако для его четкого различения требуется разрешение около 5 микросекунд дуги — в несколько раз выше текущего.
Такое разрешение может быть достигнуто благодаря проекту Black Hole Explorer (BHEX) — космической миссии NASA малого класса, запланированной на ближайшие десять лет. Проект предполагает вывод радиотелескопа на орбиту Земли и его объединение в единую интерферометрическую сеть с крупными наземными телескопами. Эта «расширенная» версия EHT, работающая не только по всей планете, но и с участием космического звена, будет обладать достаточным разрешением, чтобы непосредственно увидеть фотонное кольцо Стрельца A*. Если BHEX будет запущен, он позволит измерить форму фотонного кольца с точностью, достаточной для строгой проверки теоретических моделей Торна и Гэмми.
Фото: hi-tech.mail.ru