Эйнштейн снова прав: доказано, что вращение черной дыры увлекает за собой само пространство

События приливного разрушения звезд долгое время служили для астрономов лабораторией по изучению экстремальной гравитации. Однако до сих пор один из ключевых эффектов Общей теории относительности — синхронное колебание материи и выбросов плазмы — оставался в рамках теоретической модели. Международная группа исследователей представила в Science Advances наблюдательные доказательства этого процесса: рентгеновское и радиоизлучение от уничтоженной звезды изменялись в строгом, едином ритме.

Когда звезда разрушается приливными силами сверхмассивной черной дыры, ее вещество не падает в сингулярность мгновенно. Оно образует аккреционный диск — структуру из раскаленной плазмы, вращающуюся вокруг черной дыры. В некоторых случаях процесс сопровождается запуском релятивистских джетов — узконаправленных потоков частиц, ускоренных до субсветовых скоростей.

Главная проблема моделирования таких систем заключается в несовпадении осей вращения. Ось вращения черной дыры и ось орбиты звездных остатков редко бывают параллельны. Этот конфликт угловых моментов должен приводить к сложной динамике, которую наконец удалось зафиксировать.

Эффект Лензе — Тирринга в действии

В основе открытия лежит релятивистский эффект, предсказанный Йозефом Лензе и Хансом Тиррингом еще в 1918 году. Согласно Общей теории относительности, массивное вращающееся тело (в данном случае черная дыра) увлекает за собой само пространство-время вокруг себя.

Если аккреционный диск вращается под углом к экватору черной дыры, это увлечение пространства заставляет плоскость диска менять свою ориентацию. Происходит прецессия — циклическое смещение оси вращения системы. Теоретические модели предсказывали, что джет, который физически связан с магнитным полем диска, должен прецессировать синхронно с ним (это называется копрецессия).

До сих пор астрономам удавалось фиксировать либо периодичность в рентгеновском диапазоне (исходящем от диска), либо в радиодиапазоне (исходящем от джета), но никогда одновременно. Отсутствие корреляции ставило под сомнение жесткость связи между диском и джетом.

Аномалия AT2020afhd

Объектом исследования стало событие AT2020afhd, зафиксированное в галактике на красном смещении z=0.027. Изначально классифицированное как обычное приливное разрушение, оно привлекло внимание исследователей повторным резким увеличением яркости в начале 2024 года — спустя годы после первого обнаружения.

Используя данные рентгеновских обсерваторий (Swift, NICER) и сети радиотелескопов (VLA, ATCA), ученые обнаружили строгую периодичность сигнала:

1. Период: интенсивность излучения менялась с циклом в 19,6 дней.
2. Синхронизация: пики и спады рентгеновского излучения (диск) совпадали по фазе с колебаниями радиоизлучения (джет).
3. Масштаб изменений: амплитуда колебаний в рентгеновском диапазоне превышала порядок величины, что невозможно объяснить простыми колебаниями плотности вещества.

Единственным физическим механизмом, способным обеспечить столь жесткую связь двух разных источников излучения на протяжении нескольких месяцев, является прецессия Лензе — Тирринга всей системы как единого твердого тела.

Геометрия наблюдения

Изменения яркости обусловлены геометрией наблюдения и релятивистскими эффектами. Джет излучает узконаправленный пучок фотонов. В процессе прецессии угол между осью джета и направлением на наблюдателя (Землю) периодически меняется.

Из-за эффекта доплеровского усиления даже небольшое изменение угла наблюдения приводит к значительному изменению регистрируемой яркости. Анализ данных позволил восстановить параметры системы: ось вращения диска была наклонена примерно на 15 градусов относительно оси вращения черной дыры, а наблюдатель видел систему под углом около 38 градусов.

Также удалось наложить ограничения на характеристики самой черной дыры. Моделирование показало, что для объяснения наблюдаемого периода в 19,6 дней черная дыра должна обладать относительно низким спином (параметром вращения) — менее 0,35.

Значение для астрофизики

Исследование AT2020afhd наконец переводит понимание физики аккреции из области теории в область доказанных фактов.

Во-первых, подтверждено, что джет не является независимой структурой, а динамически жестко связан с аккреционным диском. Управляющим фактором для обоих выступает искривление пространства-времени вращающейся черной дырой.

Во-вторых, обнаружена ранее неизвестная короткопериодическая переменность в радиодиапазоне. Традиционные программы мониторинга TDE часто пропускают такие быстрые изменения из-за редких сеансов наблюдений. Это указывает на необходимость пересмотра стратегий радионаблюдения.

Спустя 300 дней после начала повторной активности строгая периодичность сигнала исчезла. Вероятно, по мере падения темпа аккреции диск потерял необходимую геометрическую толщину, и режим жесткой прецессии разрушился. Тем не менее, зафиксированный эпизод стал первым прямым наблюдательным свидетельством того, как вращение черной дыры управляет эволюцией окружающей материи.

Источник: Science Advances