В центре далекой галактики сверхмассивная черная дыра окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — гигантской воронкой с космическим веществом. В этом диске может оказаться небольшой компактный объект, например, другая черная дыра звездной массы. Она движется по своей орбите, но время от времени протыкает диск насквозь, словно игла, прошивающая ткань. Каждое такое пересечение — это встреча с сопротивлением газа, которая постепенно меняет ее путь.
Группа исследователей построила математическую модель, чтобы проследить долгую эволюцию такой системы. Они взяли точные уравнения движения в искривленном пространстве-времени (геодезические Керра), а влияние диска описали через два эффекта: захват вещества объектом и динамическое трение — торможение из-за гравитационного взаимодействия с газом. Процесс идет в два этапа. Сначала орбита быстро поворачивается, пока не ляжет в плоскость диска — как волчок, который перестает качаться и встает ровно. Затем, гораздо медленнее, исчезает ее вытянутость: из эллипса она превращается в почти идеальный круг.
Ученые также проверили, как выбор модели газового диска влияет на результат. Модель Новикова-Торна предполагает более плотный и тонкий диск, а модель Сирко-Гудмана — более раздутый и разреженный. Во втором случае торможение слабее, и эволюция орбиты замедляется. А вот вращение самой черной дыры, ее спин, почти не сказывается на том, как быстро объект теряет вытянутость орбиты. Эти результаты важны для понимания того, что происходит в ядрах активных галактик, и, возможно, проливают свет на природу повторяющихся рентгеновских вспышек, которые там иногда наблюдают.
Динамическое трение в диске работает не за счет прямых столкновений частиц, а из-за гравитации: пролетающий объект тянет газ за собой, создавая за собой уплотнение, которое, в свою очередь, притормаживает его — как если бы вы бежали по мелкой воде, и волна за спиной мешала двигаться.
В романе «Пламя над бездной» Вернора Винджа описана цивилизация, обитающая в аккреционном диске вокруг звезды, — там подобные орбитальные взаимодействия были бы частью повседневной навигации.