Недавно инфракрасная обсерватория НАСА «Спитцер» зафиксировала вспышку гигантской двойной системы черных дыр OJ 287 в пределах расчетного временного интервала, предсказанного моделью, разработанной астрофизиками. Это наблюдение проверило различные аспекты общей теории относительности, «теорему об отсутствии волос», и доказало, что OJ 287 действительно является источником инфракрасных гравитационных волн.
Галактика OJ 287 , расположенная в созвездии Рака на расстоянии 3.5 миллиарда световых лет от Земли, имеет две черные дыры – большую, масса которой более чем в 18 миллиардов раз превышает массу Солнца , и меньшую черную дыру , масса которой примерно в 150 миллионов раз превышает массу Солнца , образуя таким образом двойную систему черных дыр . Во время вращения вокруг большей черной дыры, меньшая черная дыра пробивается сквозь огромный аккреционный диск из газа и пыли, окружающий ее больший компаньон, создавая вспышку света, ярче триллиона звезд.
Меньшая черная дыра сталкивается с аккреционным диском большей дважды за каждые двенадцать лет. Однако из-за своей неправильной продолговатой орбиты (называемой в математической терминологии квазикепларианской, как показано на рисунке ниже) вспышки могут происходить в разное время — иногда с интервалом всего в один год; иногда с интервалом до 10 лет (1). Несколько попыток смоделировать орбиту и предсказать время вспышек были безуспешными до 2010 года, когда астрофизики создали модель, которая могла предсказывать их возникновение с погрешностью примерно от одной до трех недель. Точность модели была продемонстрирована путем предсказания появления вспышки в декабре 2015 года с точностью до трех недель.
Еще одним важным фактом, который лег в основу успешной теории двойной системы черных дыр OJ 287, является то, что сверхмассивные черные дыры могут быть источниками гравитационных волн – это было установлено после экспериментального наблюдения гравитационных волн в 2016 году, образовавшихся при слиянии двух сверхмассивных черных дыр . Было предсказано, что OJ 287 является источником инфракрасных гравитационных волн (2).
В 2018 году группа астрофизиков представила еще более подробную модель и заявила, что может предсказать время будущих вспышек с точностью до нескольких часов (3). Согласно этой модели, следующая вспышка должна была произойти 31 июля 2019 года, и время было предсказано с погрешностью в 4.4 часа. Она также предсказала яркость вспышки, вызванной ударом, которая должна была произойти в это время. Событие было зафиксировано и подтверждено космическим телескопом НАСА «Спитцер» (4), который был выведен из эксплуатации в январе 2020 года. Для наблюдения предсказанного события «Спитцер» был нашей единственной надеждой, поскольку эту вспышку нельзя было увидеть ни одним другим телескопом на Земле или на орбите Земли , так как Солнце находилось в созвездии Рака, а OJ 287 и Земля — по разные стороны от него. Это наблюдение также доказало, что OJ 287 излучает гравитационные волны в инфракрасном диапазоне, как и предсказывалось. Согласно предложенной теории, вспышка, вызванная ударом ракеты OJ 287, предположительно произойдет в 2022 году.
Наблюдения этих вспышек накладывают ограничение на « теорему об отсутствии волос » (5,6), которая гласит, что хотя черные дыры не имеют истинных поверхностей, вокруг них существует граница, за пределы которой ничто — даже свет — не может вырваться. Эта граница называется горизонтом событий. Эта теорема также постулирует, что материя, образующая черную дыру или падающая в нее, «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, навсегда недоступна для внешних наблюдателей, предполагая, что у черных дыр «нет волос». Одним из непосредственных следствий теоремы является то, что черные дыры могут быть полностью охарактеризованы своей массой , электрическим зарядом и собственным спином. По мнению некоторых ученых, этот внешний край черной дыры, то есть горизонт событий, может быть неровным или бугристым, что противоречит «теореме об отсутствии волос». Однако, если необходимо доказать правильность «теоремы об отсутствии волос», единственное правдоподобное объяснение заключается в том, что неравномерное распределение массы большой черной дыры исказило бы пространство вокруг нее таким образом, что это привело бы к изменению траектории меньшей черной дыры , а в свою очередь, изменило бы время столкновения черной дыры с аккреционным диском на данной орбите , вызвав тем самым изменение времени появления наблюдаемых вспышек.
Как и следовало ожидать, черные дыры трудно исследовать. Следовательно, в дальнейшем необходимо изучить гораздо больше экспериментальных наблюдений, касающихся взаимодействия черных дыр с окружающей средой, а также с другими черными дырами, прежде чем можно будет подтвердить справедливость «теоремы об отсутствии волос».
Ссылки:
- Валтонен В., Золя С., и др.. 2016, «Вращение первичной черной дыры в OJ287, определенное столетней вспышкой Общей теории относительности», Astrophys. J. Lett. 819 (2016) №2, Л37. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
- Эббот БП., и др.. 2016. (Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Virgo), «Наблюдение за гравитационными волнами от слияния двойных черных дыр», Phys. Преподобный Летт. 116, 061102 (2016). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
- Дей Л., Валтонен М.Дж., Гопакумар А. и др. 2018. «Подтверждение наличия релятивистской массивной двойной двойной дыры в OJ 287 с использованием ее столетней вспышки в соответствии с Общей теорией относительности: улучшенные параметры орбиты», Астрофиз. Дж. 866, 11 (2018 г.). DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
- Лайне С., Дей Л., и др. 2020. «Наблюдения спутником Spitzer прогнозируемой вспышки Эддингтона от Blazar OJ 287». Письма астрофизического журнала, т. 894, № 1 (2020). DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
- Гюрлебек, Н., 2015. «Теорема об отсутствии волос для черных дыр в астрофизических средах», Physical Review Letters, 114, 151102 (2015). ДОИ: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
- Хокинг Стивен В. и др. 2016. Мягкие волосы на черных дырах. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf
