Сверхмассивная черная дыра помогла подтвердить Общую теорию относительности

Наблюдая за искажением излучения, которое испускает аккреционный диск, вращающийся вокруг черной дыры, можно определить, насколько метрика дыры близка к метрике Керра, предсказываемой Общей теорией относительности. Группа ученых из США, Китая и Германии выполнила такой анализ для сверхмассивной черной дыры из галактики 1H0707-495 и показала, что она действительно хорошо описывается метрикой Керра. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Общая теория относительности (ОТО) хорошо проверена для слабых гравитационных полей — например, для планет Солнечной системы или для двойных пульсаров. В то же время, сильные гравитационные поля изучены гораздо хуже. Поскольку некоторые альтернативные теории гравитации совпадают с ОТО в пределе слабых полей, но дают другие предсказания для сильных полей, ученых интересует проверка предсказания ОТО в этой области.

Особенно сильные гравитационные поля создают черные дыры — настолько сильные, что свет не может вырваться из-под их горизонта событий. Теорема об отсутствии волос гарантирует, что единственным стационарным решением для черной дыры, помещенной в четырехмерное пространство-время, является метрика Керра-Ньюмена (а поскольку большинство объектов во Вселенной не заряжены, метрика Керра-Ньюмена переходит в метрику Керра). Точнее, стационарным, асимптотически плоским и регулярным вне горизонта событий решением. Вокруг такой дыры может образоваться аккреционный диск, фотоны в котором будут ускоряться благодаря обратному комптоновскому рассеянию на электронах; кроме того, атомы диска тоже будут излучать. Из-за гравитационного красного смещения и искривления света отдаленному наблюдателю будет казаться, что спектр излучения и форма излучающей области искажаются. Измеряя эти искажения, можно определить, насколько точно метрика вокруг черной дыры совпадает с метрикой Керра.

В данной статье группа ученых под руководством Козимо Бамби (Cosimo Bambi) впервые применила этот метод на реальных данных, собранных для сверхмассивной черной дыры из галактики 1H0707-495. Ранее они уже описывали подход, с помощью которого можно определить, насколько хорошо метрика Керра описывает такие черные дыры. В этом подходе вводится некоторая модельная метрика, отклонения которой от керровской задаются набором параметров, определяемых из наблюдений. Если все эти параметры оказываются близки к нулю, модельная метрика воспроизводит метрику Керра. Преимуществом этого подхода является независимость от выбранной альтернативной теории гравитации. Здесь ученые рассмотрели метрику Йохансена (Johannsen metric), в которой таким параметром служит α₁₃. Подробности модели можно найти в дополнительных материалах статьи.

Затем ученые проанализировали данные, собранные о сверхмассивной черной дыре телескопами XMM-Newton, NuSTAR и Swift. Анализ исследователи выполнили с помощью программы RELXILL_NK, в которой свободными параметрами являются момент импульса черной дыры a_∗, параметр метрики α₁₃, угол наклона диска и несколько других величин. Следуя статьям 1 и 2, ученые рассмотрели три гипотезы, объясняющие различные особенности спектра радиоизлучения и примененные к разным данным. В результате они получили оценки на параметр α₁₃ в зависимости от a_∗, которые можно увидеть на рисунках. Линиями разных цветов отмечены оценки, отвечающие разным уровням достоверности (68 процентов для красной, 90 для зеленой и 99 для синей).

В итоге ученые заключают, что с большой долей вероятности пространство-время вокруг черной дыры из галактики 1H0707-495 описывается метрикой Керра, как и предсказывает Общая теория относительности. Авторы статьи считают, что разработанный ими подход так же успешно можно будет применить для анализа данных по другим черным дырам.

Общая теория относительности была сформулирована еще в начале XX века и получила огромное число экспериментальных подтверждений. Например, в июле прошлого года телескоп «Хаббл» заснял прохождение белого карлика на фоне далекой звезды, в результате которого изображение звезды сместилось в соответствии с предсказаниями ОТО. А в мае 2016 года японские астрономы подтвердили, что теория Эйнштейна работает на красных смещениях, больших единицы. Тем не менее, некоторые люди утверждают, что ОТО не верна — впрочем, их аргументы не вызывают доверия.

Дмитрий Трунин