Черные дыры, аккрецирующие материю и испускающие в ответ рентгеновское излучение, действительно черные дыры или это просто нейтронные звезды?
Новый метод демонстрирует впечатляющую разницу, убедительно предполагающую наличие горизонта событий, безошибочную подпись черной дыры.
Понятие черной дыры было впервые сформулировано в 1784 году английским преподобным Джоном Мичеллом в контексте ньютоновской теории гравитации. Идея была проста и естественна, особенно когда господствовавшая в то время теория света принадлежала Ньютону, который сделал частицы подобными частицам материи. Тело, достаточно компактное для данной массы, должно иметь достаточно сильное гравитационное поле, чтобы предотвратить вылет частиц света из этого тела. Скорость этих частиц света известна со времен работы датского астронома Оле Ремера в 1676 году.
Концепция была заново открыта вскоре после того, как в 1796 году Пьер-Симон де Лаплас, математик, философ и астроном, великий мастер небесной механики написал следующий отрывок, взятый из его книги «Экспозиция системы мира» (популярная версия, так сказать, астрономических теорий того времени): «Светящаяся звезда такой же плотности, как Земля, и диаметр которой был бы в 250 раз больше, чем у Солнца, в силу ее притяжения не позволяла бы ни одному из ее лучей достигать нас. Поэтому возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной могут по этой причине быть невидимыми».
Но в начале XIX века эта дальновидная теория ушла в тень. Сам Лаплас больше не будет говорить об этом в более позднем издании своего трактата, опубликованного после открытия Френелем и Янгом волновой теории света.
Если свет не состоит из материальных частиц, как мы можем представить себе действие на него гравитации?
Тем не менее концепция черной дыры возродится после открытия Эйнштейном общей теории относительности. Но только в 1960-х годах с работами Джона Уиллера, Роджера Пенроуза, Стивена Хокинга и Якова Зельдовича, в частности, они не получили строгого и энергичного развития, как и его возможные наблюдательные признаки в астрофизике.
Российский космолог и астрофизик Рашид Сюняев получил медаль Бенджамина Франклина по физике в 2012 году за его колоссальный вклад в понимание ранней Вселенной и свойств черных дыр.
Нет черной дыры без горизонта событий
Сегодня дело почти закончено. Черные дыры будут существовать, и они повсюду, даже в центре галактик, что, по-видимому, показывают, в частности, наблюдения M87* с телескопом Event Horizon и наблюдения LIGO и Deva, которые предполагают, что здесь присутствуют известные квазинормальные моды черных дыр.
Но будьте осторожны, концепция черной дыры теперь основана исключительно на искривленном пространстве-времени на понятии горизонта событий. Ничего общего с существованием сингулярности пространства-времени или теории чрезвычайной плотности. Объект должен быть достаточно компактным, чтобы образовалась область, из которой нельзя выбраться, не превысив скорости света.
Следовательно, продемонстрировать существование черной дыры - значит продемонстрировать существование горизонта событий.
И новый метод в этом направлении, который уже может похвастаться некоторым успехом, только что был раскрыт в работе Шриманты Банерджи и Судипа Бхаттачарьи из Института фундаментальных исследований Тата, Индия, Марата Гильфанова и одного из легендарных сотрудников Зельдовича, Рашида Сюняева из Института астрофизики Макса-Планка, Германия, и Института космических исследований РАН, Россия.
Рентгеновское излучение черной дыры и вещества аккреции нейтронной звезды не должно быть одинаковым. Ожидается, что вещество, сталкивающееся с поверхностью нейтронной звезды (справа внизу), вызовет там излучение и последующие вспышки.
Эффект Сюняева-Зельдовича для черных дыр?
Метод не лишен связи со знаменитым эффектом Сюняева-Зельдовича, обнаруженным в космологии. В обоих случаях это эффект Комптона (прямой или обратный), при котором горячие электроны сталкиваются с фотонами, чтобы добавить или отнять у них энергию, изменяя форму спектра светового излучения. связано с астрофизическим явлением.
Мы знаем, что нейтронные звезды и черные дыры могут быть найдены в двойной системе со звездой, материал которой они отрывают, чтобы окружить себя аккреционным диском. Материал нагревается до такой степени, что образует плазму со свободными электронами и испускает рентгеновские лучи. Сюняев был одним из пионеров теории аккреции черными дырами. Вместе со своими коллегами он уточняет сегодня, что эффекты Комптона между свободными электронами плазменной короны звездных черных дыр и связанными с ними рентгеновскими фотонами будут давать различные модификации спектра испускаемых рентгеновских лучей, в зависимости от того, черная ли это дыра или нейтронная звезда, которая подвергается процессу аккреции.
На этой диаграмме мы можем ясно видеть, что измерения энергий электронов и, следовательно, температуры плазмы, окружающей черную дыру или нейтронную звезду (нейтронные звезды), образуют два очень разных семейства.
Мы можем получить смутное представление об этом, вспомнив, что вещество, падающее на нейтронную звезду, будет сталкиваться с ее поверхностью, но оно просто пройдет через горизонт событий звездной черной дыры.
Поток энергии в окрестностях этих компактных звезд неодинаков, и сегодня астрофизики понимают, что это приводит к проверяемой разнице с наблюдениями в рентгеновском поле.
Это важное открытие, потому что мы не очень уверены в максимальной массе нейтронной звезды, поэтому иногда мы не уверены, действительно ли мы наблюдаем выбросы X, связанные с черной дырой, легкой или массивной нейтронной звезды.
Чтобы убедиться, что их метод надежен, Сюняев и его коллеги просмотрели архивы рентгеновских наблюдений несуществующей миссии со спутником Rossi X-Ray Timing Explorer. В некоторых случаях можно ясно показать, что мы, скорее всего, находимся в присутствии нейтронной звезды, а не звездной черной дыры. Новый метод делает демонстрацию еще более ясной и связывает ее непосредственно с существованием горизонта событий (альтернативы теории черных дыр удаляют этот горизонт).