Направи дарение на училище!

Автор: Цветомира Бeкриева /част от курса на БГ Наука за Автори/

Черните дупки далеч не са стационарни в пространството – всъщност те имат доста активно движение. Поради факта, че това са абсолютно тъмни обекти, е трудно да ги наблюдаваме директно и да ги изучаваме. В края на 2019 г. изследователи най-накрая успяват да засекат времевите измерения на сложните взаимодействия между две черни дупки. По този начин научаваме повече за поведението и същността на тези мистериозни космически обекти.

Това е артистично представяне на двете черни дупки в галактиката OJ 287. По-малката черна дупка орбитира около по-голямата, която е заобиколена от газов диск. Когато по-малката черна дупка премине през диска на по-голямата, се наблюдава проблясване, което е по-ярко от трилион звезди. Източник: NASA/JPL-Caltech

Една от най-големите черни дупки, които познаваме, притежава маса колкото 18 милиарда Слънца, и се намира в галактиката OJ 287. Както всяка черна дупка, така и този тъмен гигант е обграден от диск от газ, прах и други космически отломки, наречен акреционен диск. В близост до него орбитира друга по-малка черна дупка, която се сблъсква с диска на голямата черна дупка два пъти на всеки 12 години. Сблъсъкът причинява мощен отблясък, чиято яркост е по-голяма дори от тази на цялата галактика Млечен път. За да достигне светлината от това космическо зрелище до Земята, отнема около 3,5 милиарда години.

Орбитата на малката черна дупка около голямата не е кръгла, а е издължена и неправилна. Тя променя позицията си с всяка обиколка и освен това е наклонена под ъгъл спрямо акреционния диск на голямата. Когато малката черна дупка премине през диска на голямата, се образуват два разширяващи се балона от горещ газ, които започват да се отдалечават от диска в противоположни посоки. Това води до четворно повишаване в светимостта на системата за период от 48 часа. 

Разбери повече за БГ Наука:

***

Симулация на орбитата на малката черна дупка около голямата и визуализация на проблясъците при пресичането на орбиталните равнини на двете черни дупки. Източник: NASA/JPL-Caltech

Заради неправилната орбита на малката черна дупка, тя преминава през диска от газ на голямата в различни моменти в хода на 12-годишната си обиколка. Понякога отблясъците са само през една година, а друг път – веднъж на 10 години. След дългогодишни опити изследователите успяват да създадат модел, който да предсказва момента на преминаването на малката черна дупка през газовия диск на голямата с точност от една до три седмици. Те доказват, че моделът работи, като успешно предсказват един такъв отблясък през декември 2015 г.

Впоследствие през 2018 г. група изследователи, начело с Ланксуор Дей, аспирант от Института за фундаментални изследвания Тата в Мумбай, публикуват нов доклад по въпроса. В него те описват още по-прецизен метод за предсказване на събитието с точност от само четири часа. В нова публикация в Astrophysical Journal Letters изследователите докладват, че са успели правилно да предскажат проблясъка на 31 юли 2019 г. 

 Това означава, че моделът им работи!

Наблюдението обаче се случва на косъм. Тъй като точно в дългоочаквания момент галактиката OJ 287 се пада на противоположната страна на Слънцето спрямо Земята, тя е невъзможна за наблюдение от наземните телескопи и от тези в орбита около Земята. Очаквало се галактиката да бъде видима чрез тях отново чак през септември, когато събитието отдавно ще е приключило. Системата обаче се оказва в обсега на телескопа Spitzer на NASA.

В този момент, след 16 години на наблюдения, космическият телескоп Spitzer се намира на 254 милиона километра от Земята, което е повече от 600 пъти разстоянието между Земята и Луната. От тази си позиция телескопът е в състояние да наблюдава OJ 287 от 31 юли 2019 г. (датата, на която се очаква да бъде засечен отблясъкът) до началото на септември. След това галактиката отново става видима от наземните телескопи.

 „Когато първоначално проверих възможностите за наблюдение на OJ 287, много се изненадах, че тя става видима за Spitzer точно на деня, в който очакваме да засечем отблясъка,” споделя Сепо Лейн, изследовател от Калифорнийския технологичен институт Калтех, който надзирава наблюденията на Spitzer върху системата. “Имахме голям късмет, че ни се откри възможност да наблюдаваме отблясъка със Spitzer, тъй като системата не беше видима от никой друг инструмент в този момент.”

Изследователите често създават модели на орбитите на малки обекти в Слънчевата система като взимат предвид всички фактори, които влияят на движението им. Ако говорим за определяне на орбитата на комета, обикновено основният фактор е гравитационното притегляне на Слъцето. Планетите обаче също могат да окажат влияние и да променят курса ѝ. 

Определяне на движението на две огромни черни дупки, намиращи се на 3,5 милиарди светлинни години от нас, е доста по-сложно начинание. В такъв случай трябва да се вземат предвид фактори, които не биха повлияли на една комета, като например гравитационните вълни. Общата теория на относителността (ОТТ) на Айнщайн описва гравитацията като сила, която причинява огъване на пространството вследствие на масата на обект. При движение на този обект през пространството, това огъване се превръща във вълна. Айнщайн теоретизира съществуването на гравитационни вълни още през 1916 г., но такива са наблюдавани директно чак до 2015 г., когато са засечени от обсерваторията Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) в САЩ. 

Размерите на черните дупки в галактиката OJ 287 спрямо размерите на Слънчевата система. Източник: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

Колкото по-голяма е масата на даден обект, толкова по-големи и енергични гравитационни вълни причинява той. Изследователите очакват гравитационните вълни в галактиката OJ 287 да са толкова големи, че да могат да „отнемат” достатъчно енергия от системата, за да се промени орбитата на малката черна дупка, а с нея и периода на проблясванията. 

Въпреки, че предишни изследвания също взимат предвид гравитационните вълни, моделът от 2018 г. е най-точният досега. Чрез прибавяне на данните от LIGO към модела, времевите рамки за определяне на проблясък се прецизират с точност между един ден и ден и половина.  

За да се намали диапазона до пет часа, изследователите взимат предвид и физичните характеристики на голямата черна дупка, и по-конкретно теоремата за черна дупка „без коса” (no hair). 

Тя е публикувана още през 1960 г. от група изследователи, един от които е покойният Стивън Хокинг. Тя цели да окачестви „повърхността” на една черна дупка. Тези тъмни обекти нямат повърност в истинския смисъл на думата, но изследователите знаят, че съществува граница, отвъд  която нищо не може да излезе – дори и светлината. Съществуват идеи, според които външният ръб, известен като хоризонт на събитията, е неравен, но според теоремата „без коса”, повърхността на една черна дупка няма такива неравности – тя дори „няма коса” (наименуванието на теоремата е шеговито).

С други думи, ако срежем черната дупка по средата по направление на оста ѝ на въртене, двете половини следва да са симетрични. 

През 70-те години на миналия век Кип Торн, професор от Калифорнийския технологичен институт Калтех, описва как съществуването на обект, орбитиращ около масивна черна дупка, може да разкрие дали повърхността на черната дупка е гладка или неравна. 

Ролята на такъв обект играе по-малката черна дупка в OJ 287, чиято орбита можем да предвидим с голяма точност. Познавайки орбитата на малката черна дупка, еднозначно можем да потвърдим теоремата за черна дупка „без коса”, което означава, че основното ни разбиране за тези невероятно странни космически обекти е правилно. С други думи, изследването на системата OJ 287 подкрепя идеята, че повърхностите на черните дупки са симетрични по протежение на осите им на въртене.

Как обаче доказването на гладката „повърхност” на масивната черна дупка влияе на променливата орбита на малката черна дупка? Оказва се, че тя се влияе предимно от масата на голямата черна дупка. Разпределението на маса обаче също оказва влияние. Масивно „издуване” от едната страна на голямата черна дупка би огънало пространството по различен начин, в сравнение със симетрично разпределение на масата. Това би променило траекторията на малката черна дупка и съответно периодите на проблясък. 

Въпреки, че Spitzer беше пенсиониран в началото на 2020 г., данните от него продължават да се анализират от научната общност, тъй като те са съхранени в Инфрачервения научен архив (Infrared Science Archive), в Калифорнийския технологичен институт Калтех.

Референции:

https://www.nasa.gov/spitzer

http://www.spitzer.caltech.edu/

Статия: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200428223728.htm

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!