Астрономы, используя рентгеновскую обсерваторию NASA «Chandra» и космический рентгеновский телескоп ESA «XMM-Newton», удостоверились в том, что сверхмассивная чёрная дыра, расположенная в 6 млрд. световых лет от Земли, вращается чрезвычайно быстро. Впервые учёным удалось напрямую измерить спин столь отдалённой от нашей планеты чёрной дыры. Получение этих данных является важным шагом к пониманию того, как именно происходит рост черных дыр с течением времени.
Для этих областей пространства-времени характерны лишь две особенности: масса и спин. Если с определением масс черных дыр у астрономов практически не возникает трудностей, то определение скорости и специфики их вращения было для учёных весьма проблематичным.
За последнее десятилетие астрономы разработали довольно много методов для оценки спина черных дыр, расположенных на значительном расстоянии – в несколько млрд. световых лет от Земли. Таким образом астрономы имеют возможность видеть область вокруг черных дыр такой, какой она была миллиарды лет тому назад. Однако, определение спинов этих отдалённых черных дыр предусматривает несколько шагов, что делает этот процесс весьма проблематичным.
По словам Rubens Reis из University of Michigan, который является автором статьи о результатах проведённого исследования, опубликованной в 5 марта в журнале «Nature», процесс определения спина черных дыр уже давно нуждался в новом подходе.
Rubens Reis и его коллеги определили спин сверхмассивной черной дыры, которая «затягивает» в себя окружающий её газ, производя чрезвычайно яркий квазар, известный как RX J1131-1231 (RX J1131). Искажение пространства-времени гравитационным полем гигантской эллиптической галактики вдоль линии визирования действует на квазар как гравитационная линза, которая масштабирует исходящий от него свет. Гравитационное линзирование, изначально предсказанное Эйнштейном, предлагает уникальную возможность изучить внутреннюю структуру далёких квазаров. В данном случае гравитационная линза действует как природный телескоп, увеличивая свет, исходящий от источника излучения.
По словам соавтора проводимых исследований Mark Reynolds из University of Michigan, благодаря гравитационной линзе, он и его коллеги смогли получить детализированную информацию о рентгеновском спектре, то есть о количестве рентгеновских лучей, наблюдаемых в различной энергии от RX J1131. Он отмечает, что эта информация позволила его коллегам достаточно точно определить скорость вращения черной дыры. Для того, чтобы установить скорость вращения черной дыры, исследователи были вынуждены «вычленить» из всего излучения квазара только отражательный компонент.
Рентгеновские лучи возникают, когда циркулирующий вокруг черной дыры диск из пыли и газа (аккреционный диск) создает чрезвычайной горячее облако – корону — вблизи черной дыры. Рентгеновские лучи от этой короны отражаются от внутреннего края аккреционного диска. Сильные гравитационные силы вблизи черной дыры изменяют отражаемый рентгеновский спектр. Чем больше изменение спектра, тем ближе внутренний край аккреционного диска находиться к черной дыре. То есть в отраженном от аккреционного диска излучении содержаться рентгеновские спектральные линии (железа), анализируя сдвиги которых можно выяснить степень искажения пространства вблизи горизонта событий.
По словам Jon M. Miller, ещё одного соавтора исследований, он и его коллеги полагают, что рентгеновские лучи исходят из довольно маленькой области аккреционного диска. Он отмечает, что черная дыра должна вращаться чрезвычайной быстро для того, чтобы выжить в столь ограниченном пространстве.
Измерение скорости вращения далёких черных дыр позволяет обнаружить важные подсказки о том, как происходит рост этих объектов с течением времени. Если черные дыры растут, в большей степени, в результате слиянии галактик, то есть поглощение вещества происходит редко, но большими порциями, то это приводит к ускорению вращения черной дыры. Напротив, если черная дыра растёт за счет эпизодических поставок материала, то есть поглощение вещества происходит часто маленькими «порциями», его аккумуляция будет происходить в различных направлениях, как результат, черная дыра будет вращаться медленнее.
В ходе исследования удалось установить, что черная дыра в RX J1131 вращается со скоростью, равной более половине скорости света. Это позволяет предположить, что образовалась черная дыра спустя примерно 7,7 млрд. лет после Большого Взрыва.
