Международная команда исследователей, включающая сотрудников, Института прикладной астрономии РАН, ФИАН и МФТИ, провела анализ радиоинтерферометрических наблюдений за 2022 год галактики М87 и установила, что джет — плазменная струя, вырывающаяся из черной дыры в ее центре, — периодически меняет свое направление. По мнению учёных, это доказывает, что центральная сверхмассивная чёрная дыра вращается. Работа опубликована в журнале Nature.
Гигантская галактика М87 в созвездии Девы, находящаяся на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли, привлекает астрофизиков относительной близостью и сверхмассивной чёрной дырой в её центре, которая в 6,5 миллиардов раз массивнее Солнца. Вещество, падая на чёрную дыру, делает ядро галактики активным источником излучения во всем электромагнитном спектре. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии. Часть окружающего падающего вещества выбрасывается из чёрной дыры и порождает джет, в котором вещество движется почти со скоростью света. Джет простирается далеко за пределы галактики, на 4 900 световых лет. За счёт высокой яркости и близости релятивистский джет впервые был открыт именно в М87 еще в 1918 году. Через сто с лишним лет, в 2019 году, телескоп «Горизонт событий» обнаружил центральный радиоисточник и асимметричную кольцевую структуру, соответствующую ожиданиям общей теории относительности в присутствии сверхмассивной чёрной дыры. Однако её вращение, имеющее решающее значение при формировании и эволюции джетов и галактики, непосредственно не наблюдалось.
Изменение позиционного угла направления струи джета учёные отметили еще с самых первых наблюдений в радиодиапазоне с высоким угловым разрешением в 2000 году. Однако не было ясности в происхождении таких структурных изменений. На это могут оказывать влияние проявления активности чёрной дыры и вброса в джет вещества или развитие плазменных неустойчивостей.
Рисунок 1. Верхняя панель: структура джета в M87 на частоте 43 ГГц при двухгодичном усреднении данных наблюдений. Белые стрелки указывают соответствующее направление джета. Нижняя панель: изменение направления джета за все время наблюдений с 2000 по 2022 год. Красная линия представляет наилучшую подгонку моделью прецессирующей струи с периодом 11 лет
Чтобы точно проследить долговременную морфологическую эволюцию джета вблизи сверхмассивной черной дыры в М87, учёные проанализировали 170 интерферометрических изображений, полученных в 2000–2022 году на частотах 22–24 и 43 ГГц. Именно эти снимки показали, что, помимо известной постоянной морфологии струи с уярчением к краям, за эти годы можно увидеть изменение позиционного угла направления струи. Большой ряд наблюдений ясно показывает систематические квазисинусоидальные колебания струи джета в масштабе года с размахом амплитуды примерно 10° (рис. 1).
Для описания наблюдаемой эволюции направления джета авторы работы использовали модель, в которой ось вращения аккреционного диска немного наклонена к оси вращения чёрной дыры (рис. 2). Вращение массивной чёрной дыры влияет на окружающее пространство-время, приводя к прецессии аккреционного диска, которая распространяется и на джет из-за тесной связи между ним и аккреционным диском.
Рисунок 2. Схематическое изображение модели наклонного аккреционного диска. Ось вращения черной дыры направлена вертикально, направление джета почти перпендикулярно диску. Несоосность между осью вращения чёрной дыры и осью вращения диска приводит к прецессии диска и джета
Эта прецессия — результат эффекта Лензе — Тирринга, предсказываемого общей теорией относительности Эйнштейна и наблюдаемого вблизи вращающихся массивных тел. Эффект Лензе — Тирринга очень мал —- примерно одна часть из нескольких триллионов. Чтобы его обнаружить, необходимо исследовать очень массивный объект, и активное ядро галактики М87 наилучшим образом подходит для этого.
«Обнаружение прецессии джета М87 служит убедительным доказательством того, что сверхмассивная чёрная дыра действительно вращается. Подобная прецессия джетов может происходить и в других активных ядрах галактик, но её сложно увидеть из-за небольшой величины и длительного периода изменения. Наша совместная группа МФТИ и ФИАН в настоящее время активно занимаемся моделированием прецессирующих джетов для объяснения данных наблюдений квазаров», — прокомментировала Евгения Кравченко, старший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ.
Другие наблюдения за джетом галактики М87, проведённые в 2009 году, позволили учёным воссоздать неоднородную структуру джета, которая напоминает твидовый узор в виде сплетённой косы спиральных волокон. Их моделирование продемонстрировало, что закручивание центральных волокон вызвано нестабильностями, развивающимися в плазменной струе. Они могут развиваться при неоднородности поля скоростей поперёк джета. Например, это могут быть два разных потока плазмы, взаимодействие которых даёт наблюдаемые явления. Однако такая спиралевидная структура волокон также может быть обусловлена физическими процессами в непосредственной близости от чёрной дыры. Вероятно, именно прецессия Лензе — Тирринга приводит к развитию этих нестабильностей в самой струе.
«Подобные наблюдения позволяют нам изучить явления плазменной физики и в целом жизни Космоса. Сейчас активно развиваются сети глобального позиционирования — спутниковая система навигации, которая обеспечивает измерение расстояния и определяет местоположение объектов во всемирной системе координат. Они основаны на мониторинге звезд, которые постоянно движутся и не находятся в одном положении. Таким образом, эта система не очень стабильна, и в настоящее время активно продвигается идея использовать в её работе далекие квазары — те же самые активные ядра, у которых струя направлена фактически на нас, что делает их самыми яркими точками для Земли. В отличие от звезд, их положение стабильно. Но из-за того, что струя неоднородна, что мы еще раз доказали в исследовании, может возникнуть смещение объекта на небе, что сказывается на точности системы. В связи с этим детальное изучение квазаров и джетов позволяет выполнять необходимую коррекцию и восстанавливать абсолютное положение объектов», — подытожила Евгения Кравченко.
Учёным еще предстоит ответить на множество вопросов, например какова структура диска и каково точное значение вращения сверхмассивной черной дыры M87. Эти исследования могут быть выполнены только с использованием долгосрочных наблюдений с высоким угловым разрешением.
