Астрономы подозревали, что от массы черной дыры может зависеть частота изменений. Газ движется внутрь по спирали в аккреционный диск, ускоряясь, и скапливается у черной дыры, испуская мощное рентгеновское излучение. У маленьких черных дыр эта область затора находится близко, и «рентгеновские часы» тикают быстро. У больших дыр эта область дальше, поэтому ход «рентгеновских часов» медленнее. Данная зависимость настолько устойчива, что изменение яркости рентгеновского излучения используется для измерения массы черных дыр
[289], в том числе самой маленькой из известных нам. При поперечнике 24 км и массе 3,8 солнечных она лишь чуть превышает критическую массу нейтронной звезды.
Недавно группа Адама Инграма из Амстердамского университета объединила данные об изменении яркости рентгеновского излучения и о форме спектральной линии железа. Инграм, занявшийся квазипериодическими осцилляциями в ходе работы над диссертацией в 2009 г., говорит: «Сразу стало ясно, что это нечто примечательное, поскольку происходит в области, очень близкой к черной дыре». Пользуясь данными двух рентгеновских спутников, его группа доказала, что вещество на орбите вокруг черной дыры попало в гравитационный «водоворот», созданный черной дырой: «Представьте, что вращаете ложку в меду. Мед – это пространство, и все, что в нем находится, будет “увлечено” в круговое движение вслед за вращающейся ложкой». Ученые выбрали черную дыру с периодом колебаний 4 секунды и внимательно наблюдали за ней почти три месяца. Линия железа вела себя именно так, как предсказывала общая теория относительности. «Мы измеряем непосредственно движение материи в сильном гравитационном поле возле черной дыры», – сказал Инграм
[290]. На сегодняшний день это один из нескольких примеров, как теория Эйнштейна проверялась в подобных условиях
[291].
Квазипериодические осцилляции наблюдаются и у активных галактик. Время изменения измеряется не секундами, а периодом от нескольких часов до нескольких месяцев
[292]. Что замечательно, из этого следует, что аккреционные диски ведут себя одинаково, несмотря на колоссальный разброс физических параметров – от черных дыр звездной массы до сверхмассивных черных дыр в далеких галактиках.
Когда черная дыра съедает звезду
Что происходит, когда черная дыра проглатывает звезду? В 1998 г. Мартин Рис предложил ответ. Он годами размышлял о возможностях обнаружения черных дыр, которые должны скрываться в центре каждой галактики. Что случится с незадачливой звездой, угодившей в область экстремальной гравитации? По мере приближения звезды к черной дыре ее сначала растягивают, а затем разрывают приливные силы. Часть ее вещества выбрасывается вовне с большой скоростью, а остальное проглатывается черной дырой, вызывая яркое свечение, которое может длиться несколько лет
[293].
Такая судьба грозит только звездам, которые подбираются слишком близко к черной дыре. У каждой черной дыры есть радиус, в пределах которого приливообразующие силы разрушают небесное тело. Вне этой границы звезды сохраняют свою форму. Как только звезда входит в это пространство, начинается разрушение. Около половины массы звезды выбрасывается наружу, другая половина движется по эллиптическим орбитам, постепенно приводящим газ в аккреционный диск. Черная дыра питается этим веществом, находящимся вплотную к горизонту событий, а преобразование гравитационной энергии в излучение вызывает яркое свечение
[294]. Иногда событие порождает релятивистские джеты (илл. 49). Представим, что Солнце приближается к черной дыре, которая находится в центре нашей Галактики. Ничего не случится до тех пор, пока Солнце не окажется в пределах 160 млн км от горизонта событий; затем Солнце разорвет на части, а все планеты, включая Землю, разметает, как кегли, и вероятность быть отброшенными на безопасное расстояние или проглоченными черной дырой будет равной. Приближение на такую близкую дистанцию маловероятно, поэтому разрыв приливными силами – редкое событие, случающееся в любой галактике примерно раз в 100 000 лет.
Swift J1644+57: возникновение релятивистского джета
При приближении солнцеподобной звезды к черной дыре в несколько миллионов солнечных масс радиус уничтожения приливными силами существенно превысит радиус Шварцшильда. Однако, поскольку радиус Шварцшильда увеличивается линейно с ростом массы, а радиус уничтожения приливными силами растет медленнее, черные дыры больше 100 млн солнечных масс пожирают звезды до того, как они будут разорваны. Можно сказать, что большая черная дыра заглатывает добычу целиком, а маленькая – рвет на части, прежде чем съесть. Судьба звезды также зависит от ее размера и стадии эволюции. Большие звезды испытывают более мощные приливные силы, поэтому красный гигант, направляющийся в центр галактики, будет разорван на гораздо большем расстоянии от черной дыры, чем Солнце, а белый карлик исчезнет внутри горизонта событий целиком. Судя по численному моделированию, интенсивность аккреции после уничтожения звезды зависит от массы черной дыры. Если доверять результатам моделирования, время между разрыванием звезды и максимальной яркостью свечения можно использовать для «взвешивания» черной дыры. Для такой звезды, как Солнце, временная задержка составляет месяц в случае с черной дырой в 106 солнечных масс и увеличивается до трех лет, если черная дыра имеет массу в 109 солнечных.
Что говорят наблюдения? Рентгеновские телескопы позволили увидеть около 20 случаев разрыва небесного тела приливными силами, включая пару событий, когда аккреция была так эффективна, что яркость намного превосходила пределы, установленные Эддингтоном 100 лет назад
[295]. Маленькая выборка событий показала, что резкий всплеск аккреции может питать релятивистские джеты, замеченные у радиоквазаров
[296]. Все это – примеры из далеких галактик, поэтому, поняв, что газовое облако G2 направляется к черной дыре в центре нашей Галактики, астрономы пришли в восторг. В конце 2013 г. газовое облако прошло очень близко от массивной черной дыры и… ничего. Однако примерно через год после этого частота рентгеновских вспышек увеличилась в десять раз, до одной за день. Это навело на мысль о том, что объект G2 был не облаком, а звездой с большой оболочкой, и нужно больше времени, чтобы черная дыра схватила и поглотила вещество
[297]. Шоу продолжается. После 15 лет сбора данных рентгеновские астрономы ждут второго прохождения G2 мимо черной дыры. Надежды слегка омрачаются тем, что все события, наблюдаемые нами в центре Галактики, произошли 27 000 лет назад.
