Международная группа астрофизиков из Великобритании и США нашла новые доказательства теории относительности Эйнштейна, которая предсказывает поведение материи, близко подходящей к черной дыре. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).
Ученые провели наблюдения за двойной системой MAXI J1820+070, известной как точечный источник рентгеновского излучения на расстоянии примерно 10 тысяч световых лет от Земли. Эта система состоит из черной дыры, которая в восемь раз превышает массу Солнца и поглощает вещество звезды-компаньона, масса которой составляет половину массы Солнца. Вокруг черной дыры образуется аккреционный диск, испускающий высокоэнергетическое рентгеновское излучение.
Теория Эйнштейна предсказывает, что между аккреционным диском и горизонтом событий должна существовать граница, при пересечении которой вещество покидает самую внутреннюю стабильную круговую орбиту (innermost stable circular orbit, ISСO) и устремляется на релятивистских скоростях прямо в черную дыру. При этом высвобождается значительное количество энергии в виде света, которые имеет характерные спектральные особенности.
До сих пор подавляющее большинство моделей, связывающих рентгеновское излучение с характеристиками самой черной дыры, игнорировали это излучение, что могло привести к систематическим ошибкам в определении свойств черных дыр. Чтобы подтвердить, что ISCO действительно вносит значительный вклад в общее излучение аккреционного диска, астрофизики смоделировали поведение MAXI J1820+070 и материи вокруг нее в соответствии с теорией Эйнштейна и сравнили с данными орбитального рентгеновского телескопа NuSTAR.
Результаты моделирования подтвердили, что ISСO в аккреционном диске MAXI J1820+070 действительно испускает свет в соответствии с предсказаниями общей теории относительности, как ведет себя материал в диске вокруг вращающейся черной дыры (так называемой дыры Керра). При этом традиционные модели, пренебрегающие излучением ISCO, не могут воспроизвести наблюдательные данные.
По словам авторов, их работа является первым надежным обнаружением излучения внутри ISCO и позволяет наложить дополнительные ограничения на спин черной дыры MAXI J1820 + 070. Спин характеризует вращение и является одним из двух параметров, полностью описывающим в астрофизике черную дыру (другим является масса). Чтобы можно было обнаружить излучение внутри ISCO, спин должен быть низким: a < 0,5, где a — угловой момент единицы массы.
В заключении исследования отмечается, что излучение внутри ISCO является доминирующим компонентом в спектре MAXI J1820 + 070 между 6 и 10 килоэлектронвольт, что подчеркивает необходимость включения этой области в модели аккреционных дисков черных дыр.