Черные дыры, будучи по определению невидимыми, дают о себе знать через взаимодействие с окружающим веществом. Одним из важнейших наблюдательных проявлений является аккреция вещества — процесс захвата газа, пыли или звездной материи. Вблизи черной дыры аккрецирующее вещество формирует аккреционный диск, нагревается до экстремальных температур (вплоть до десятков миллионов Кельвинов), и начинает испускать интенсивное электромагнитное излучение — преимущественно в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах.
Аккреционные диски — мощные источники рентгеновского излучения, и именно по ним были впервые выявлены кандидаты в черные дыры в двойных звездных системах, например, в системе Cygnus X-1. Анализ спектра, переменности, поляризации и других характеристик излучения позволяет получать информацию о массе, спине и наклоне черной дыры.
Кроме того, наблюдаются квазипериодические осцилляции яркости излучения, которые можно интерпретировать как проявления колебательных мод в аккреционном диске, в том числе тех, что обусловлены релятивистскими эффектами — например, прецессией Лэнсе–Тирринга. Эти осцилляции дают доступ к информации о метрике пространства-времени вблизи горизонта событий.
Многие черные дыры, особенно в активных ядрах галактик (АГН) и микроквазарах, сопровождаются релятивистскими струями — узконаправленными потоками плазмы, выбрасываемыми из окрестностей черной дыры на околосветовых скоростях. Эти струи формируются в результате взаимодействия вращающейся черной дыры и аккреционного диска с сильным магнитным полем, механизм которого описывается, в частности, моделью Блэндафора–Знаяка.
Наблюдательные признаки джетов включают:
Анализ джетов позволяет реконструировать спин черной дыры, конфигурацию магнитного поля и даже детали космологической эволюции галактик.
Одним из наиболее поразительных достижений наблюдательной гравитационной физики стало получение изображения тени черной дыры в центре галактики M87 с помощью интерферометра Event Horizon Telescope (EHT). Тень представляет собой область пониженной яркости, сформированную гравитационным отклонением света от яркого аккреционного потока, огибающего черную дыру.
Размер и форма тени зависят от:
Сравнение наблюдаемого изображения с теоретическими моделями (на основе метрики Керра и релятивистского трассирования лучей) позволяет проверить Общую теорию относительности в сильнополевом режиме. Ожидается, что аналогичные изображения будут получены и для черной дыры в центре Млечного Пути (Sgr A*), уже частично реконструированной с помощью тех же методов.
Чрезвычайно мощным инструментом является прецизионная астрометрия звездных орбит вокруг сверхмассивных черных дыр. В центре Галактики звезда S2 и другие звезды из группы S-stars демонстрируют орбитальное движение, хорошо описываемое законами Кеплера с поправками, предсказанными Общей теорией относительности. В частности, наблюдаются:
Эти наблюдения, в первую очередь благодаря работе обсерваторий VLT и Keck, позволяют измерять массу и расстояние до центральной черной дыры с исключительной точностью, а также служат строгими тестами ОТО.
Ключевым прорывом последних лет стало наблюдение гравитационных волн от слияния черных дыр. Обсерватории LIGO и Virgo зарегистрировали десятки событий слияния двойных черных дыр, например, GW150914 — первое подтверждение существования таких систем.
Основные наблюдательные признаки:
Гравитационные волны дают уникальную возможность исследовать черные дыры в изолированной системе, свободной от электромагнитных взаимодействий, и проводить тесты теории Керра, включая возможности поиска отклонений от Общей теории относительности.
Наблюдения с помощью рентгеновских телескопов, а также данных LIGO/Virgo, выявляют объекты с массами, не соответствующими обычным звездным черным дырам (5–20 M☉) и не достигающими сверхмассивных масштабов (10⁶–10⁹ M☉). Эти промежуточномассивные черные дыры (100–10⁴ M☉) являются возможным звеном в иерархии роста черных дыр и формирования галактических ядер. Их наблюдательные проявления включают:
Существуют гипотетические сценарии формирования таких объектов в ранней Вселенной, включая первичные черные дыры, которые могли образоваться в условиях высокой плотности до эпохи нуклеосинтеза. В зависимости от массы, такие черные дыры могут либо испариться до настоящего времени через излучение Хокинга (если M ≲ 10¹⁵ г), либо выжить и участвовать в космологической структуре.
Черные дыры, как и любые массивные объекты, искривляют свет от фоновых источников, создавая гравитационные линзы. Однако, в случае черных дыр наблюдаются характерные особенности:
Изучение тонкой структуры линзированных изображений и хроматических эффектов позволяет тестировать форму метрики, искать отклонения от решения Керра, а также получать дополнительные ограничения на параметры черной дыры.
Свет, проходящий вблизи черной дыры, испытывает значительное гравитационное замедление времени. Это приводит к наблюдаемым:
Такого рода эффекты особенно важны при наблюдении двойных систем “чёрная дыра – пульсар”, которые являются одними из наиболее перспективных лабораторий для изучения сильнополевой гравитации и потенциальных модификаций ОТО.
С развитием технологий высокочастотной VLBI, рентгеновской интерферометрии, а также запуском космических гравитационно-волновых обсерваторий (например, LISA), возможности исследования черных дыр выходят на качественно новый уровень. В будущем ожидаются:
Черные дыры, от непременных атрибутов теоретических моделей XX века, превращаются в объекты высокоточной наблюдательной науки, несущие в себе информацию о структуре пространства, времени и фундаментальных взаимодействиях.