Материя, попадающая в черную дыру, излучает огромное количество энергии, которая испускается в основном как видимый свет, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение. Эта энергия может привести к тому, что газ и пыль, находящиеся недалеко от черной дыры, будут «оттолкнуты» от нее, что приведет к значительным изменениям в эволюции и росте галактик, содержащих черные дыры. Понимание процессов, происходящих в таких активных ядрах галактик, жизненно необходимо для создания теорий, описывающих образование галактик, подобных Млечному Пути. Поэтому им уделяется пристальное внимание.

Хотя свет сам не может покинуть черную дыру (для этого нужно, например, сильное магнитное поле), дыры с аккреционным диском (вращающиеся облака из материи, которая постепенно попадает в черную дыру) являются одними из самых ярких объектов в своих галактиках. Изучение взаимодействия излучения и аккреционных дисков может позволить астрофизикам лучше понять природу экстремальных гравитационных полей, магнитных сил и процессов излучения около черных дыр.

«Мы запросили данные, полученные космическими телескопами за последние несколько лет и обнаружили, что чем быстрее черная дыра поглощает материю, тем более ионизованным становится ее аккреционный диск, – говорит Дэвид Баллантайн, доцент физического колледжа Технологического института Джорджии. – Простая теория аккреционных дисков позволяет предсказать это явление, однако связь между ионизацией и скоростью увеличения диска расходится с предсказаниями теории».

Расхождение довольно значительно. Тогда как теория предлагает кубическую зависимость между количественными показателями обоих явлений, наблюдения показывают ее линейность. Впрочем, подобное расхождение вполне ожидаемо для явлений, которые нельзя наблюдать при контролируемых лабораторных условиях. В своей публикации в Астрономическом журнале Баллантайн описывает ход исследования и обсуждает возможные объяснения различия между теорией и наблюдениями.

«Как и во многих других областях науки, в астрономии (и особенно в астрономии) все упирается в то, что нам нужно больше данных, намного больше намного более точных измерений для того, чтобы лучше установить отношения между явлениями», – добавил он.

Астрофизики пока толком не понимают, как происходит образование аккреционного диска, почему черные дыры растут с разной скоростью, или наоборот перестают расти. Ответы на эти вопросы найти чрезвычайно важно, так как развитие активного галактического ядра, содержащего черную дыру, имеет большое влияние на всю галактику.

«Во время фазы быстрого роста выделяется огромное количество энергии, которая проявляется не только в излучении, но также в потоках материи, которые сдувают газ. Это может привести к остановке процесса образования звезд из-за отсутствия материала и в результате затормозить развитие галактики, – поясняет Баллантайн. – Изучение потоков энергии через аккреционный диск может привести к фундаментальным открытиям. Мы можем определить их вязкость и эффективность излучения. Ответ на эти вопросы очень важен для астрофизики».

Считается, что источник гамма-излучения – внутренняя часть активного галактического ядра. При прохождении гамма-лучей через материю на пути к черной дыре их свойства изменяются, и это изменение доступно для измерения. В своем исследовании Баллантайн и его соавторы сконцентрировались на изучении ионизации материи, которая связана с ее яркостью. Они смогли распознать это явления благодаря «отпечаткам», оставленным ионизованной материей на проходящих через нее гамма-лучах.

«При помощи лабораторных исследований можно определить, каким образом ионизованный газ взаимодействует с гамма-излучением. Это поле атомной физики, – поясняет Баллантайн. – Мы можем моделировать, какими должны быть эти самые отпечатки на гамма-лучах и сравнить результаты моделирования с полученными данными чтобы понять, что же твориться на самом деле».

Поскольку гамма-излучение характеризуется высокой энергией и короткой длиной волны, оно могет проходить через многие материалы, например, через тело человека, практически без ослабления. Поэтому оно очень хорошо подходит для изучения процессов, протекающих в активном галактическом ядре. Излучение с большей длиной волны, например, видимый или ультрафиолетовый свет, поглощается межгалактической пылью или не может точно идентифицироваться из-за схожести со светом, излучаемым звездами. Однако, гамма-излучение также поглощается плотными объектами, например, аккреционными дисками.

Ученые проанализировали десять измерений свойств гамма-излучения от восьми различных галактических ядер. Измерения были получены при помощи космических телескопов. При этом использовалась только полезная информация об испускании гамма-излучения внутренней, наиболее горячей частью аккреционного диска. Также использовались только те измерения, которые соответствовали черным дырам, масса которых на данный момент имеет хорошую оценку.

Следующим шагом в исследовании будет сбор дополнительной информации, полученной в ходе других исследований активных галактических ядер. С их помощью можно будет проверит полученную линейную зависимость. Возможно, будут разработаны новые подходы к изучению черных дыр и, в особенности, процесса их роста.

«Сами черные дыры просты и понятны, но вот происходящее вокруг них может быть чрезвычайно запутанным, – говорит Баллантайн. – Нам все еще есть что узнать о том, как черные дыры получают материал для роста, и почему некоторые из них растут быстро, а другие – медленно. Астрофизика черных дыр чрезвычайно важна для понимания того, как устроена Вселенная».