В 1980-х годах астрономы, используя первые рентгеновские телескопы, обнаружили, что рентгеновские лучи, которые исходят от чёрных дыр звёздной массы в нашей галактике, как будто мерцают. И "пульсация" эта происходит по определённому шаблону. Так, когда мерцание только появляется, переход от затемнения к просветлению может занять десять секунд. В течение дней, недель, месяцев период сокращается, постепенно колебание света может учащаться до десяти вспышек в секунду. После чего мерцание навсегда прекращается.

Это явление было названо квазипериодические колебания (QPO). "Оно сразу же было признано чем-то интересным, поскольку оно появляется в непосредственной близости от чёрной дыры", — говорит исследователь Адам Ингрэм (Adam Ingram) из Университета Амстердама.

В 1990-е годы астрономы начали подозревать, что квазипериодические колебания были связаны с гравитационными эффектами, которые оказывает чёрная дыра на окружающее пространство и которые были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна. Учёные предположили, что чёрная дыра, вращающийся объект огромной массы, создаёт вокруг себя "гравитационный вихрь".

"Этот процесс чем-то напоминает закручивание мёда ложкой. Представьте, что мёд – это космос, и всё, что в нём присутствует, будет затянуто потоком, образующимся из-за вращения ложки", — сравнивает Ингрэм. В реальности это означает, что все объекты, проходящие по орбитам вокруг вращающейся чёрной дыры, будут постепенно изменять траектории своего движения. В случае с наклонной орбитой объект на ней будет прецессировать (вспомните детскую юлу, ось которой по мере замедления вращения начинает менять положение). Время, необходимое объекту, чтобы вернуться в исходное положение, называется циклом прецессии. Запомните этот термин, он будет иметь значение в дальнейшем.

В 2004 году агентство НАСА запустило космическую миссию Gravity Probe B для измерения так называемого эффекта Лензе-Тирринга близ Земли. После тщательного анализа учёные выяснили, что космический аппарат будет проходить полный цикл прецессии каждые 33 миллиона лет (не сравнить со временем, необходимым для простого оборота аппарата вокруг нашей планеты).

Но вокруг чёрной дыры такой эффект будет значительно более заметным из-за более сильного гравитационного поля. Цикл прецессии будет занимать всего несколько секунд или даже меньше. А это так близко к квазипериодическим колебаниям, что астрономы в конце концов начали подозревать, что между ними существует какая-то связь.

Ингрэм начал работать над проблемой, изучая, что происходит в плоском диске материи, окружающем чёрную дыру. Он называется аккреционным диском, и вещество в нём движется по спирали, постепенно падая на чёрную дыру.

Учёные предположили, что в непосредственной близости чёрной дыры плоский аккреционный диск "раздувается" в горячую плазму (так называемый внутренний поток). Разогретый внутренний поток постепенно уменьшается в размерах в течение недель и месяцев по мере поглощения чёрной дырой.

Ингрэм совместно со своими коллегами опубликовал в 2009 году статью, в которой предположил, что квазипериодические колебания определяются прецессией Лензе-Тирринга этого горячего потока. Это происходит потому, что чем меньше внутренний поток становится и чем ближе к чёрной дыре он подходит, тем он будет быстрее проходить цикл прецессии. Но оставался вопрос: как это доказать?

После долгих лет исследований ответ был найден. Он заключается в том, что внутренний поток испускает высокоэнергетическое излучение, которое "ударяет" по материи в окружающем её аккреционном диске. Это приводит к тому, что атомы железа начинают светиться, как люминесцентные лампы.

Атомы железа испускают рентгеновские лучи определённой длины волны. Но аккреционный диск вращается, и длина волны исходящего света из-за эффекта Доплера меняется. Соответственно, если внутренний поток действительно прецессирует, порой он будет светить на двигающийся в сторону Земли материал в диске, а порой на "уходящий". Физики зафиксируют это явление в виде спектральной линии, раскачивающейся взад и вперёд по шкале длины волны в течение цикла прецессии.

Телескоп XMM-Newton зарегистрировал такое колебание спектра света, относящегося к железу. Ингрэм и его коллеги провели исследование, которое позволило им несколько раз наблюдать квазипериодические колебания. Астрономы выбрали чёрную дыру H 1743-322, которая испускала четырёхсекундное квазипериодическое колебание. Они наблюдали это явление в течение 260 тысяч секунд благодаря аппарату XMM-Newton, а также 70 тысяч секунд посредством NuSTAR.

"NuSTAR подтвердил колебание линии железа, а также зарегистрировал особенность в спектре, называемую "отражательный горб", что стало дополнительным доказательство в пользу прецесии", — говорит Ингрэм.

После скрупулёзного анализа, а также объединив вместе все данные наблюдений, астрономы увидели, что линия железа колеблется в соответствии с предсказаниями общей теории относительности.

"Мы напрямую измерили движение материи в сильном гравитационном поле вблизи чёрной дыры", — добавляет Ингрэм. И это впервые, когда эффект Лензе-Тирринга был измерен в сильном гравитационном поле. Метод позволил астрономам картографировать материю во внутренних областях аккреционных дисков вокруг чёрных дыр.

Отмечается, что теория Эйнштейна во многом не изучена в столь сильных гравитационных полях. Так что, если астрономы смогут понять, по каким законам материя "стекает" в чёрную дыру, они смогут использовать эти знания для проверки прогнозов общей теории относительности.