Группа астрономов воспользовалась услугами космического телескопа «Хаббл» для того, чтобы напрямую изучить аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре далекой галактики. В этом ученым помогла новая методика исследования, основанная на явлении гравитационного линзирования. Такая методика способна усилить возможности телескопа во много раз. Кроме того, точность измерений была такова, что астрономам удалось непосредственно измерить диаметр диска и температуру в различных его частях.

Хотя черные дыры невидимы по определению, их чудовищная гравитация порождает одни из самых ярких феноменов во Вселенной — квазары. Квазары — это гигантские светящиеся диски материи, вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр. Падая на прожорливую черную дыру, частицы газа и пыли разогреваются до очень высоких температур и потому мощно излучают в широкой полосе электромагнитного спектра.

«Типичные размеры аккреционного диска у квазара — несколько световых дней, или около 100 миллиардов километров. Но они лежат на удалении в миллиарды световых лет от Земли. Это означает, что их видимые размеры настолько малы, что мы, вероятно, никогда не будем иметь достаточно мощный телескоп, чтобы непосредственно разглядеть их структуру», — объясняет Хосе Муньос (Jose Muñoz), ведущий руководитель проведенного исследования. До сих пор большая часть наших знаний о внутренней структуре квазаров была основана на теоретических построениях, а не на прямых наблюдениях.

Но теперь все изменилось. Команда Муньоса воспользовалась тем, что на пути между квазаром и нашей галактикой оказалась другая галактика, достаточно массивная, чтобы в соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна искривить свет, идущий от квазара и собрать его в фокус подобно микроскопу. Гравитационная линза, созданная галактикой, позволила исследовать диск квазара в таких деталях, которые обычно недоступны нашим телескопам. Чтобы иметь наглядное представление о достигнутом разрешении, представьте, что вы наводите телескоп на Луну и видите… песчинки на поверхности ее грунта!

Наблюдая группу далеких квазаров через такие гравитационные линзы, астрономы заметили тонкие различия в цвете между изображениями, порождаемыми линзами, а также изменения в их цвете за то время, пока проводились наблюдения. Часть этих цветовых различий, как выяснилось, были вызваны свойствами пыли в галактиках-линзах: свет от квазара, искривляясь, шел через промежуточную галактику разными путями, так что различные цвета дали представление о количестве и структуре межзвездного вещества в пределах галактики-линзы.

Но цвет одного из квазаров, He 1104-1805, менялся благодаря его собственной неоднородной структуре. Астрономы были уверены в этом, потому что на пути света от квазара не было пыли и газа галактики-линзы. Следовательно, причиной изменения цвета квазара была разная температура аккреционного диска, которая растет по мере приближения к черной дыре. Это позволило команде измерить диаметр диска и выяснить распределение температур на разных расстояниях от центра.

гравитационная линза

Изображение квазара, искаженное и удвоенное галактикой-линзой, расположенной между квазаром и Землей. Сама галактика-линза видна как тусклое пятно вокруг двух ярких изображений квазара. Наблюдения одного из изображений показали вариации цвета квазара во времени. Цвет менялся из-за того, что звезды галактики-линзы, вставая на пути света квазара, увеличивали разные части аккреционного диска. Это дало возможность астрономам реконструировать цвет и температурный профиль диска с беспрецедентной точностью. Фото: NASA, ESA and J.A. Muñoz (University of Valencia)

Они обнаружили, что диск имеет размер от четырех до одиннадцати световых дней в поперечнике, что эквивалентно примерно 100-300 миллиардам километров. Хотя это измерение показывает большую неопределенность, достигнутая точность удивительна, и метод имеет большой потенциал для повышения точности в будущем. «Этот результат является очень актуальным, так как подразумевает, что сейчас мы можем получать наблюдательные данные о структуре этих систем, а не полагаться на одни теории, — говорит Муньос. — Физические свойства квазаров еще не изучены. И новая возможность, основанная на непосредственных наблюдениях поможет до конца понять природу этих объектов».