У чёрных дыр в центрах галактик есть своя необычная служба доставки, поставляющая им еду в течение всего нескольких месяцев, а не сотен лет, как считалось ранее

Скриншоты моделирования, демонстрирующего новый способ, с помощью которого сверхмассивные чёрные дыры питаются окружающими их дисками газа и пыли.

У чёрных дыр может оказаться в наличии совершенно неожиданная космическая «служба доставки», поставляющая им газ и пыль для «еды». Может оказаться, что эти космические титаны питаются с гораздо большей скоростью, чем предполагали учёные, и насыщаются в течение нескольких месяцев, а не сотен или тысяч лет.

Считается, что в центре большинства галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры с массами, в миллионы и даже миллиарды раз превышающими массу Солнца. Когда они окружены огромными пластинами газа и пыли, называемыми аккреционными дисками, они превращаются в квазары. Квазары — это яркие сердца активных галактик, которые так сильно светятся, что могут затмить суммарный свет всех звёзд во всей окружающей их галактике.

Таким образом, новые данные о скорости питания чёрных дыр могут помочь пролить свет на то, как эти сверхмассивные объекты поглощают окружающий материал и как этот процесс влияет на эволюцию галактик.

Данное исследование — результат трёхмерного моделирования с высоким разрешением, выполненного группой учёных, поставивших перед собой задачу понять динамику чёрных дыр и в итоге получивших удивительно большую скорость питания этих неуловимых явлений. Более того, эту скорость могут подтвердить и реальные наблюдения за квазарами, некоторые из которых становятся ярче и тускнеют с периодом в несколько месяцев.

«Вопрос о том, как газ попадает в чёрную дыру и питает её, является центральным в физике аккреционных дисков, — сказал в своём заявлении Ник Кааз, руководитель группы и астроном из Северо-Западного университета. — Если знать, как это происходит, то можно определить, как долго существует диск, насколько он ярок и как должен выглядеть свет, когда мы наблюдаем его с помощью телескопов».

Питание чёрных дыр — очень затягивающий процесс

Сверхмассивные чёрные дыры настолько массивны, что при вращении они увлекают за собой саму ткань пространства и времени — явление, называемое «увлечением инерциальных систем отсчёта» или «эффектом Лензе-Тирринга». 3D-моделирование, выполненное на суперкомпьютере Summit в Ок-Риджской национальной лаборатории, показало, что такое искривление пространства разрывает аккреционные диски и приводит к их разделению на внутренние и внешние «субдиски».

Сверхмассивные чёрные дыры относятся к внутреннему диску как к закуске, поскольку они начинают свой обед с поглощения газа и пыли, которые находятся там. При этом материя из внешнего диска просачивается внутрь, заполняя в конечном итоге пробелы, оставленные чёрной дырой, поглотившей внутренний диск. Этот заново заполненный диск затем становится основным блюдом, и процесс питания начинается заново.

Скриншоты моделирования, демонстрирующего новый способ, с помощью которого сверхмассивные чёрные дыры питаются окружающими их дисками газа и пыли.

Как показало моделирование, вся космическая трапеза чёрной дыры — поглощение материи, пополнение запасов и снова поглощение — может происходить в течение всего нескольких месяцев, что радикально быстрее, чем ранее рассчитанные временные шкалы. Это в конечном счёте может объяснить, почему некоторые квазары быстро вспыхивают, а затем исчезают.

«Классическая теория аккреционного диска предсказывает, что диск эволюционирует медленно, — сказал Кааз. — Но некоторые квазары, возникающие в результате того, что чёрные дыры высасывают газ из своих аккреционных дисков, по-видимому, резко изменяются во времени в масштабах от нескольких месяцев до нескольких лет. Это изменение происходит крайне быстро».

Кааз, сотрудник Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA), добавил, что в результате моделирования создаётся впечатление, что внутренняя часть диска, откуда исходит большая часть света квазара, разрушается, а затем пополняется.

«Классическая теория аккреционного диска не может объяснить столь резкие колебания, — сказал он. — Но явления, которые мы наблюдаем в нашем моделировании, потенциально могут объяснить это. Быстрое усиление и ослабление яркости соответствует разрушению внутренних областей диска».

Сверхмассивные чёрные дыры едят не с тарелок, а с гироскопов

Скриншоты моделирования, демонстрирующего новый способ, с помощью которого сверхмассивные чёрные дыры питаются окружающими их дисками газа и пыли.

Некоторые учёные предполагают, что аккреционные диски, окружающие сверхмассивные чёрные дыры, вполне упорядочены благодаря гравитационному влиянию сверхмассивных чёрных дыр, расположенных в их центрах, несмотря на жестокие условия, в которых они находятся. Благодаря этому влиянию газ и пыль в аккреционных дисках обращаются вокруг чёрных дыр, оставаясь в одной плоскости и вращаясь в том же направлении, что и сами чёрные дыры, причём газ очень постепенно опускается к внешней границе чёрной дыры, горизонту событий.

«В течение десятилетий люди делали очень смелое предположение, что аккреционные диски выровнены с вращением чёрной дыры, — говорит Кааз. — Но газ, питающий эти чёрные дыры, необязательно знает, в какую сторону вращается чёрная дыра, так почему же они должны автоматически выравниваться? Изменение выравнивания радикально меняет всю картину».

Эта новая картина указывает на более беспорядочную и турбулентную среду вокруг питающей сверхмассивной чёрной дыры.

Скриншоты моделирования, демонстрирующего новый способ, с помощью которого сверхмассивные чёрные дыры питаются окружающими их дисками газа и пыли.

В основе этого лежит эффект Лензе-Тирринга, который усиливается по мере приближения к центральной чёрной дыре, заставляя аккреционные диски колебаться, а внутреннюю область — вращаться быстрее. Это можно сравнить с вращающейся юлой, которая начинает колебаться по мере замедления, но внутренний аккреционный диск колеблется сильнее внешнего.

Это приводит к искривлению всей системы диска и столкновениям газов из разных его областей, создающим активно излучающие ударные волны и подталкивающим вещество всё ближе к сверхмассивной чёрной дыре. В конце концов, эффект колебаний становится настолько сильным, что аккреционный диск раскалывается. Образовавшиеся внутренний и внешний диски эволюционируют отдельно и демонстрируют разные колебания. В этот момент весь аккреционный диск больше напоминает кольца гироскопа, а не вращающуюся тарелку.

«Когда внутренний диск отрывается, он прецессирует самостоятельно, — говорит Кааз. — Он прецессирует быстрее, потому что находится ближе к чёрной дыре и потому что он маленький, поэтому его легче перемещать».

Скриншоты моделирования, демонстрирующего новый способ, с помощью которого сверхмассивные чёрные дыры питаются окружающими их дисками газа и пыли.

Моделирование, проведённое командой, показало, что неистовое питание сверхмассивных чёрных дыр начинается в области разрыва между внутренним и внешним дисками. При этом трение пытается объединить диски, а эффект Лензе-Тирринга ещё больше разрывает их.

«Между вращением чёрной дыры, трением и давлением внутри диска идёт конкуренция, — сказал Кааз. — Разрыв происходит там, где чёрная дыра выигрывает. Внутренний и внешний диски сталкиваются друг с другом. Внешний диск срезает слои внутреннего диска, вдавливая его внутрь».

Скриншоты моделирования, демонстрирующего новый способ, с помощью которого сверхмассивные чёрные дыры питаются окружающими их дисками газа и пыли.

Поскольку диски ориентированы под разными углами, внешний диск вываливает вещество на внутренний, что толкает внутренний диск ближе к чёрной дыре, ускоряя темп его поглощения. При этом огромная гравитация чёрной дыры притягивает внешний диск, заставляя его занять место внутреннего диска.

«Внутренняя область аккреционного диска, откуда исходит большая часть излучения, может полностью исчезнуть очень быстро, в течение нескольких месяцев, — сказал Кааз. — Мы видим, что она практически полностью исчезает. Система перестаёт быть яркой. А затем она снова становится яркой, и процесс повторяется. Принятая теория не может объяснить, почему она вообще исчезает, и не может объяснить, как она так быстро восполняется».

Результаты исследования были представлены 20 сентября в журнале The Astrophysical Journal.