ЧЁРНАЯ ДЫРА, КОТОРАЯ ПОГЛОЩАЕТ СОБСТВЕННЫЙ СВЕТ

Горизонт событий — то, что делает чёрную дыру чёрной дырой: граница, из-за которой ничто, даже свет, не может вернуться. По определению он не посылает нам никакого сигнала. Телескоп горизонта событий (Event Horizon Telescope) получил изображения теней гигантских чёрных дыр в галактике M87 и Стрельца A* — косвенное свидетельство горизонта. Но горизонт чёрной дыры, родившейся из звезды, имеет поперечник всего в десятки километров — слишком мало, чтобы его сфотографировать.

Довод о тусклом компаньоне

У астрономов есть ещё одна подсказка. В парах, где мёртвая звезда перетягивает газ с компаньона, спокойные системы с чёрными дырами обычно примерно в сто раз тусклее, чем системы с нейтронными звёздами на похожих орбитах. Объяснение: падающий газ ударяется о поверхность нейтронной звезды и светится, а чёрная дыра поглощает энергию.

Слабое место — одно допущение. Довод предполагает, что похожие орбиты означают похожий темп питания. Для орбит длиннее 80 минут компаньоном может быть коричневый карлик, обычная звезда или гигант, а перетекание газа могут вызывать разные эффекты. Реальный темп питания неизвестен.

Пары, обращающиеся за минуты

Цянь-Ци Ма, Вэй-Минь Гу и Моуюань Сунь из Сямэньского университета вместе с Шань-Шань Вэн из Нанкинского педагогического университета обратились к ультракомпактным рентгеновским двойным. Когда период обращения меньше 40 минут, тела находятся так близко, что компаньоном может быть только белый карлик. А орбита сжимается в основном за счёт излучения гравитационных волн.

Это делает такие системы чистыми лабораториями. Темп питания тогда зависит только от теории гравитации и от связи между размером белого карлика и его массой. Его можно вычислить по одному лишь орбитальному периоду, задав несколько масс: от 1,4 до 2 солнечных для нейтронной звезды, от 3 до 20 для чёрной дыры.

Команда отобрала пять таких систем, все в шаровых скоплениях — плотных шарах старых звёзд, расстояния до которых известны с точностью до 2%:

в четырёх находится нейтронная звезда, опознанная по термоядерным рентгеновским вспышкам;
в одной, 47 Tuc X-9, — чёрная дыра, опознанная по тому, как согласованно меняются её радио- и рентгеновское излучение. Её орбитальный период — около 28 минут.

Затем исследователи сравнили средний рентгеновский поток каждой системы по данным Chandra, Swift и других обсерваторий с рассчитанным темпом питания.

В тысячу раз тусклее

Результат — радиационная эффективность: доля энергии падающего вещества, которая выходит в виде рентгеновского излучения.

У всех четырёх нейтронных звёзд она выше 5%.
У чёрной дыры — ниже 0,03%.

Разрыв составляет два-три порядка величины. Самая яркая пара для сравнения: система с нейтронной звездой M15 X-2 и чёрная дыра 47 Tuc X-9 питаются с похожим темпом, около 10¹⁶ граммов в секунду, однако 47 Tuc X-9 в тысячу раз тусклее. Даже с учётом неопределённостей до десяти раз в яркости некоторых источников две группы остаются раздельными.

Куда уходит энергия

Авторы объясняют это тем, что находится на дне. У нейтронной звезды твёрдая поверхность: даже если горячий падающий газ плохо излучает по пути, его энергия в итоге выделяется на этой поверхности и переизлучается. У чёрной дыры поверхности нет. При низком темпе питания бо́льшая часть энергии газа уносится внутрь в виде тепла — и исчезает за горизонтом.

Для авторов это сильное свидетельство существования горизонта у звёздной чёрной дыры, хотя и косвенное, как сказано в их собственной аннотации. Оно опирается на одну чёрную дыру. Авторы делают проверяемое предсказание: любая новая нейтронная звезда, найденная в столь тесной паре, должна попасть в яркую группу, а любая чёрная дыра с похожей орбитой должна быть такой же тусклой, как 47 Tuc X-9.

Урок для гигантских чёрных дыр

Работа содержит и более широкое предупреждение. Для чёрных дыр яркость — плохой показатель того, сколько они поглощают. Чёрная дыра может расти, оставаясь тусклой. По словам авторов, обзоры, оценивающие рост сверхмассивных чёрных дыр по их свечению, могут упускать часть этого роста.