В то время как черные дыры и маленькие дети не имеют много общего, они удивительно похожи в одном аспекте: оба являются неряшливыми едоками, что дает достаточные доказательства того, что прием пищи состоялся.

Но в то время как один может оставить после себя остатки макарон или брызги йогурта, другой создает последствия ошеломляющих масштабов. Когда черная дыра поглощает звезду, она вызывает то, что астрономы называют «событием приливного разрушения». Разрушение несчастной звезды сопровождается вспышкой излучения, которая может затмить суммарный свет каждой звезды в галактике-хозяине черной дыры на месяцы и даже годы.

В статье, опубликованной в Астрофизическом журнале, группа астрономов во главе с Сикян Вэнь, научным сотрудником в Обсерватории Стюарда Аризонского университета, использует рентгеновские лучи, испускаемые событием приливного разрушения, известным как J2150, для проведения первых измерений массы и вращения черной дыры. Эта черная дыра особого типа — черная дыра средней массы, которая долгое время ускользала от наблюдения.

«Тот факт, что мы смогли поймать эту черную дыру, когда она пожирала звезду, дает замечательную возможность наблюдать то, что в противном случае было бы невидимым», — сказала Энн Заблудофф, профессор астрономии и соавтор статьи. «Мало того, проанализировав вспышку, мы смогли лучше понять эту неуловимую категорию черных дыр, которые вполне могут составлять большинство черных дыр в центрах галактик».

Повторно проанализировав рентгеновские данные, использованные для наблюдения вспышки J2150, и сравнив их со сложными теоретическими моделями, авторы показали, что эта вспышка действительно возникла в результате столкновения несчастливой звезды с черной дырой промежуточной массы. Промежуточная черная дыра, о которой идет речь, имеет особенно низкую массу для черной дыры, то есть весит примерно в 10 000 раз больше массы Солнца.

«Рентгеновское излучение внутреннего диска, образованного обломками мертвой звезды, позволило нам определить массу и вращение этой черной дыры и классифицировать ее как промежуточную черную дыру», — сказал Вэнь.

Десятки событий, связанных с приливным разрушением, были замечены в центрах крупных галактик, в которых находятся сверхмассивные черные дыры, но всего несколько наблюдалось в центрах небольших галактик, которые могут содержать промежуточные черные дыры. Однако прошлые данные никогда не были достаточно подробными, чтобы доказать, что вспышка приливного разрушения была вызвана промежуточной черной дырой.

«Благодаря современным астрономическим наблюдениям мы знаем, что в центрах почти всех галактик, которые похожи или больше по размеру, чем наш Млечный Путь, находятся центральные сверхмассивные черные дыры», — сказал соавтор исследования Николас Стоун, старший преподаватель Еврейского университета в Иерусалиме. «Размеры этих гигантов варьируются от 1 миллиона до 10 миллиардов масс нашего Солнца, и они становятся мощными источниками электромагнитного излучения, когда в их окрестности попадает слишком много межзвездного газа».

Масса этих черных дыр тесно коррелирует с общей массой галактик-хозяев; в самых больших галактиках находятся самые большие сверхмассивные черные дыры.

«Мы все еще очень мало знаем о существовании черных дыр в центрах галактик, меньших, чем Млечный Путь», — сказал соавтор Питер Йонкер из Университета Радбуда и Нидерландского института космических исследований СРОНА в Нидерландах. «Из-за ограничений в наблюдениях трудно обнаружить центральные черные дыры, намного меньшие, чем 1 миллион солнечных масс».

Несмотря на их предполагаемое изобилие, происхождение сверхмассивных черных дыр остается неизвестным, и по словам Джонкера, в настоящее время существует множество различных теорий, которые пытаются их объяснить. Черные дыры средней массы могут быть семенами, из которых вырастают сверхмассивные черные дыры.

«Поэтому, если мы лучше разберемся, сколько на самом деле существует промежуточных черных дыр, то это может помочь определить, какие теории образования сверхмассивных черных дыр верны», — сказал он.

Еще более захватывающим, по словам Заблудоффа, является измерение вращения J2150, которое удалось получить группе. Измерение спина дает ключ к пониманию того, как растут черные дыры, и, возможно, к физике элементарных частиц.

Эта черная дыра имеет быстрое вращение, но не самое быстрое из возможных, объяснил Заблудов, отвечая на вопрос о том, как черная дыра получает вращение в этом диапазоне.

«Возможно, что черная дыра образовалась таким образом и с тех пор не сильно изменилась, или что две черные дыры средней массы недавно слились, образовав эту», — сказала она. «Мы знаем, что измеренное нами вращение исключает сценарии, в которых черная дыра растет в течение длительного времени из-за постоянного потребления газа или из-за множества быстрых газовых закусок, которые поступают со случайных направлений».

Кроме того, измерение вращения позволяет астрофизикам проверять гипотезы о природе темной материи, которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной. Темная материя может состоять из неизвестных элементарных частиц, которые еще не наблюдались в лабораторных экспериментах. Среди кандидатов — гипотетические частицы, известные как сверхлегкие бозоны, объяснил Стоун.

«Если эти частицы существуют и имеют массы в определенном диапазоне, они предотвратят быстрое вращение черной дыры средней массы», — сказал он. «Тем не менее, черная дыра J2150 быстро вращается. Таким образом, наши измерения спина исключают широкий класс теорий сверхлегких бозонов, демонстрируя ценность черных дыр как внеземных лабораторий по физике частиц».

Авторы надеются, что в будущем новые наблюдения вспышек приливного разрушения могут позволить астрономам заполнить пробелы в распределении массы черных дыр, надеются авторы.

«Если окажется, что большинство карликовых галактик содержат черные дыры средней массы, то они будут доминировать над скоростью разрушения звездных приливов», — сказал Стоун. «Сопоставляя рентгеновское излучение этих вспышек с теоретическими моделями, мы можем провести перепись населения черных дыр средней массы во Вселенной», — добавил Вэнь.

Однако для этого необходимо наблюдать больше подобных событий. Вот почему астрономы возлагают большие надежды на то, что скоро появятся новые телескопы как на Земле, так и в космосе, в том числе обсерватория Веры С. Рубин или LSST, которая, как ожидается, обнаружит тысячи приливных разрушений в год.