Предложен новый метод измерения масс черных дыр

Возможность существования во Вселенной черных дыр, то есть массивных тел, гравитационное притяжение которых столь велико, что преодолеть его не может даже свет, ученые поначалу постулировали теоретически. Долгое время черные дыры представлялись весьма экзотическими космическими объектами - до тех пор, пока не выяснилось, что ядра большинства галактик, включая и Млечный путь, образованы сверхмассивными черными дырами, в миллионы раз более тяжелыми, чем наше Солнце, а помимо них существует и немало черных дыр гораздо более скромной массы.

Измерение массы черной дыры - задача непростая

Конечно, сами по себе черные дыры невидимы, но поглощаемое ими вещество перед падением разгоняется до релятивистских скоростей, разогревается и испускает мощное излучение, которое может быть зарегистрировано телескопами. Именно таким косвенным образом ученым и удается обнаруживать черные дыры. Сегодня астрофизикам известно около тысячи объектов, идентифицированных как черные дыры, но специалисты полагают, что их количество во Вселенной должно исчисляться десятками миллионов.

Проблема в том, что достоверно отличить черную дыру от сходного с ней объекта другого типа (скажем, нейтронной звезды) можно, лишь сравнив радиус объекта с его гравитационным радиусом, а для вычисления последнего необходимо с высокой точностью измерить массу объекта. Это непросто. До сих пор астрономы судили о массе черной дыры по ее гравитационному влиянию на соседние с ней объекты - либо звезды, либо раскаленный газ. Однако эти методы не очень точны, требуют долгих наблюдений и годятся лишь для относительно близких галактик.

Черная дыра массой в 450 миллионов Солнц

Теперь группа астрономов Европейской южной обсерватории в Гархинге близ Мюнхена под руководством Тимоти Дейвиса (Timothy Davis) предложила иной подход, позволяющий оценить массу сверхмассивных черных дыр не только с более высокой точностью, но и намного более удаленных, и все это - за считанные часы. Статья опубликована в журнале Nature.

Новый метод основан на измерении излучения облаков межзвездного газа, конкретно - окиси углерода СО, поясняет Тимоти Дейвис: "По распространенности во Вселенной эта молекула занимает второе место после водорода. Так что облаков с окисью углерода очень много, и они прекрасно видны в миллиметровом диапазоне. А теперь нам впервые удалось, наблюдая за движением этих облаков, вычислить массу черной дыры".

Для своих наблюдений ученые использовали телескоп CARMA в Калифорнии - комплекс из шести антенн диаметром 10,4 метра, девяти антенн диаметром 6,1 метра и восьми антенн диаметром 3,5 метра. Этот интерферометр обеспечивает самое высокое из доступных сегодня разрешение в миллиметровом диапазоне. Тимоти Дейвис и его коллеги сосредоточили свое внимание на газовых облаках в далекой галактике NGC4526, расположенной в созвездии Девы на расстоянии в 53 миллиона световых лет от нас, и обнаружили, что черная дыра в ее активном ядре имеет массу, в 450 миллионов раз превосходящую массу Солнца.

Новый метод открывает широкие перспективы

Открытие само по себе, безусловно, весьма интересное, но гораздо важнее то, что получила подтверждение высокая эффективность нового метода, говорит ученый: "До сих пор нас ограничивала недостаточная разрешающая способность существующих космических телескопов. Чтобы измерить массу черной дыры в центре далекой галактике, нужно наблюдать за движением звезд вблизи ее активного ядра, а это получалось плохо - тут и Hubble был бессилен. А наблюдать за облаками окиси углерода мы можем с помощью наземных телескопов, работающих в диапазоне миллиметровых волн, то есть более длинных, чем видимый свет, не говоря уже про ультрафиолетовое излучение. Это позволит нам определять массы черных дыр на втрое большем расстоянии, чем было возможно прежде".

До сих пор, наблюдая за траекториями звезд, астрономы смогли пока оценить массы лишь около пятидесяти сверхмассивных черных дыр. Переключившись на наблюдение за поведением газовых облаков, Тимоти Дейвис и его коллеги намерены уже в ближайшие годы изучить несколько сотен таких объектов.

Взаимосвязь существует, но ее механизм непонятен

Главная цель ученых - выявить закономерности, связывающие параметры галактики с массой черной дыры в ее центре. А то, что такая взаимосвязь существует, причем в галактиках любых размеров, сомнений не вызывает. Тимоти Дейвис поясняет: "Есть основания полагать, что галактики и черные дыры в их центрах возникают и эволюционируют совместно, однако мы пока не понимаем, как такой механизм функционирует. Черная дыра - объект хоть и чрезвычайно массивный, но более чем скромных - по космическим меркам - размеров. Тем не менее, масса черной дыры коррелирует с такими свойствами галактики, как, скажем, ее светимость или скорость перемещения звезд в ней. Чтобы предложить какое-то объяснение этому феномену, мы должны будем измерить массы черных дыр во множестве самых разных галактик. Наш новый метод позволит это сделать".

Тем более, что в марте должен в полном объеме вступить в строй новая, гораздо более мощная чем CARMA, миллиметровая обсерватория ALMA. Она возведена в чилийской пустыне Атакама. Чувствительность обсерватории ALMA столь высока, что определение массы черной дыры методом наблюдения за облаками окиси углерода потребует уже не нескольких недель, а всего нескольких часов.