Размер черной дыры выявлен по ее аппетиту

Художественный образ аккреционного диска, вращающегося вокруг невидимой сверхмассивной черной дыры. Процесс аккреции приводит к случайным колебаниям светимости диска с течением времени. Эта закономерность связана с массой черной дыры в новом исследовании, проведенном исследователями из Университета Иллинойса в Урбане и Шампейне. Изображение предоставлено Марком А. Гарликом / Фондом Саймонса

Сверхмассивные черные дыры в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца и обычно находятся в центре массивных галактик. В спящем состоянии и не питаясь газом и окружающими их звездами, сверхмассивные ЧД излучают очень мало света; Единственный способ, которым астрономы могут их обнаружить, — это их гравитационное воздействие на звезды и газ в их окрестностях. Однако в ранней Вселенной, когда сверхмассивные чёрные дыры быстро росли, они активно подпитывали — или аккрецировали — материалы с интенсивной скоростью и испускали огромное количество излучения, иногда затмевая всю галактику, в которой они проживают, говорят исследователи.

Новое исследование, проведенное аспирантом астрономии Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн Колином Бёрком и профессором Юэ Шен, выявило определенную взаимосвязь между массой активно питающихся сверхмассивных чёрных дыр и характерным временным интервалом в образце мерцания света.

Наблюдаемый свет от аккрецирующей сверхмассивной чёрной дыры непостоянен. Из-за физических процессов, которые еще не изучены, он показывает повсеместное мерцание во времени в диапазоне от часов до десятилетий. «Было проведено много исследований, в которых изучались возможные связи наблюдаемого мерцания и массы сверхмассивной чёрной дыры, но результаты были неубедительными, а иногда и противоречивыми», — сказал Берк.

Команда собрала большой набор данных об активно питающихся сверхмассивных чёрных дырах, чтобы изучить паттерн изменчивости мерцания. Они определили характерный временной масштаб, в течение которого картина меняется, что тесно коррелирует с массой сверхмассивной чёрной дыры. Затем исследователи сравнили результаты с аккрецирующими белыми карликами, остатками звезд, подобных нашему Солнцу, и обнаружили, что сохраняется такое же соотношение массы и масштаба во времени, хотя белые карлики в миллионы или миллиарды раз менее массивны, чем СМЧД.

Диаграмма объяснителя — Когда черные дыры выстраиваются в линию. 

По словам исследователей, мерцание света — это случайные колебания в процессе питания черной дыры. Астрономы могут количественно оценить эту картину мерцания, измерив силу изменчивости как функцию временных масштабов. При аккреции сверхмассивных чёрных дыр картина изменчивости меняется от коротких до длинных. Этот переход модели изменчивости происходит в характерном временном масштабе, который больше для более массивных черных дыр.

Команда сравнила кормление черной дырой с нашим приемом пищи или питья, приравняв этот переход к человеческой отрыжке. Младенцы часто отрыгивают, когда пьют молоко, в то время как взрослые могут удерживать отрыжку более длительное время. По их словам, черные дыры делают то же самое во время кормления.

«Эти результаты предполагают, что процессы, вызывающие мерцание во время аккреции, универсальны, независимо от того, является ли центральный объект сверхмассивной черной дырой или гораздо более легким белым карликом», — сказал Шен.

«Твердое установление связи между наблюдаемым мерцанием света и фундаментальными свойствами аккретора, безусловно, поможет нам лучше понять процессы аккреции», — сказал Ян-Фей Цзян, исследователь из Института Флэтайрон и соавтор исследования.

Астрофизические черные дыры бывают самых разных масс и размеров. Между популяцией черных дыр звездной массы, которые весят меньше массы Солнца в несколько десятков раз, и сверхмассивными черными дырами существует популяция черных дыр, называемых черными дырами промежуточной массы, которые весят примерно в 100-100000 раз больше массы Солнца. масса солнца.

Ожидается, что сверхмассивные чёрные дыры будут формироваться в большом количестве на протяжении всей истории Вселенной, и они могут дать семена, необходимые для того, чтобы впоследствии превратиться в сверхмассивные чёрные дыры. Однако с точки зрения наблюдений эта популяция IMBH на удивление неуловима. Есть только одна бесспорно подтвержденная ЧДД, которая весит примерно в 150 раз больше массы Солнца. Но эта IMBH была случайно обнаружена излучением гравитационной волны от слияния двух менее массивных черных дыр.

«Теперь, когда есть корреляция между мерцающим узором и масса центрального аккрецирующего объекта, мы можем использовать его, чтобы предсказать, как может выглядеть мерцающий сигнал от IMBH », — сказал Берк.

Астрономы во всем мире ждут официального начала эры массовых исследований, которые отслеживают динамическое и переменное небо. Обсерватория Веры К. Рубин в рамках Чилийского исследования пространства и времени будет исследовать небо в течение десяти лет и собирать данные о мерцании света для миллиардов объектов, начиная с конца 2023 года.

«Анализ набора данных LSST для поиска мерцающих паттернов, которые согласуются с аккрецией IMBH, может открыть и полностью понять эту давно разыскиваемую таинственную популяцию черных дыр», — сказал соавтор Синь Лю, профессор астрономии из Университета США.