Сердцебиение против шума: как распознать хаос у чёрной дыры ✛
В 2019 году телескоп Event Horizon подарил человечеству первое изображение тени чёрной дыры. С тех пор астрофизики мечтают о большем: увидеть, как вещество движется в самой воронке пространства-времени. Одна из загадок — хаос. Теория предсказывает, что орбиты частиц у чёрной дыры могут быть регулярными, как сердцебиение, или хаотическими, как шум. Но как это заметить с Земли?
Группа исследователей построила численную модель горячей точки — яркого сгустка плазмы, движущегося в поле вращающейся чёрной дыры (метрика Керра) под действием внешнего электромагнитного поля. Для шести орбит, трёх регулярных и трёх хаотических, они рассчитали кривые блеска — графики изменения яркости со временем. Наблюдатель смотрел под углом 17 градусов, а изображение имело разрешение 6000×6000 пикселей.
Результат оказался элегантным. У регулярных орбит кривые блеска напоминают ровное сердцебиение: чёткая периодичность, а спектр мощности — распределение энергии сигнала по частотам — состоит из узких изолированных пиков. Хаотические орбиты дают беспорядочные флуктуации, а их спектр мощности похож на шум: широкие непрерывные полосы малой амплитуды. Даже когда регулярная орбита не показывает явной периодичности в кривой блеска, её спектр всё равно выдаёт острые пики. Это и есть искомый признак.
До сих пор не существовало надёжного способа наблюдательно отличить хаотические орбиты от регулярных в окрестности чёрных дыр. Теперь такой способ есть: достаточно взять кривую блеска горячей точки и посмотреть на её спектр мощности. Метод можно применять уже сегодня для анализа вспышек от сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики, Sgr A*. Если в данных найдутся широкие полосы вместо узких пиков, это станет первым наблюдательным свидетельством хаоса в искривлённом пространстве-времени.
В перспективе метод распространится на более реалистичные модели аккреции, на горячие точки со спином и на модифицированные теории гравитации. С появлением более чувствительных рентгеновских и инфракрасных телескопов астрономы смогут искать хаотические сигнатуры в реальных данных. Так мерцание одной горячей точки может стать ключом к проверке самой природы гравитации.
Показатель Ляпунова для хаотических орбит начинает расходиться примерно через 1000 масс чёрной дыры времени — для сверхмассивной чёрной дыры это миллионы лет, но для звёздной — всего доли секунды.
В фильме «Интерстеллар» визуализированы аккреционный диск и горячие точки вокруг чёрной дыры Гаргантюа; данная работа показывает, как по мерцанию таких точек можно было бы распознать хаос в их движении.