Астрономы раскрывают тайну плазменных струй черных дыр
Аккрецирующие черные дыры испускают струи плазмы вдоль своей оси вращения, которые распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Ученые считают, что аккреционные диски генерируют магнитные поля, которые концентрируют струи вдоль этой центральной оси. Однако точные механизмы, ускоряющие материю в этих струях, остаются необъясненными. Наблюдая за черной дырой более десяти лет, международная команда астрономов наконец собрала данные, которые могут помочь разгадать эту тайну.
Подобно тому, как предсердия человеческого сердца вбирают кровь, а затем выбрасывают ее в желудочки, оказалось, что черная дыра сначала собирает материю и нагревает ее в так называемой короне, а затем выбрасывает ее в виде сверхсветовых струй. Таков вывод нового исследования, проведенного под руководством Мариано Мендеса, астрофизика из Астрономического института Каптейна при Гронингенском университете (Нидерланды). Внимательно наблюдая за черной дырой GRS 1915+105 в течение 15 лет, команда обнаружила, что поток материи развивается в двух различных фазах.
Хотя долгое время велись споры о том, являются ли корона черной дыры и релятивистские струи проявлением одного явления, теперь астрономы получили доказательства того, что они появляются друг за другом. "Было настоящим вызовом продемонстрировать эту последовательную природу. Нам пришлось сравнивать данные, полученные несколько лет назад, с данными, полученными несколько секунд назад, а также очень высокие энергии с очень низкими энергиями", — объясняет Мендес в своем заявлении.
Перегретая корона, которая выбрасывает вещество в виде струи
Черная дыра GRS 1915+105 не является изолированной черной дырой, а принадлежит к бинарной системе, состоящей также из обычной звезды, от которой она поглощает материал — так называемый микроквазар. Эта система расположена в нашем Млечном Пути, примерно в 36 000 световых лет от Земли, в созвездии Орёл. Черная дыра имеет массу, эквивалентную примерно двенадцати солнечным массам, что делает ее одной из самых массивных звездных черных дыр в нашей галактике. Открытая в 1994 году, GRS 1915+105 стала первым галактическим объектом, продемонстрировавшим сверхсветовые джеты.
Исследователи наблюдали за этой черной дырой в течение 15 лет, используя несколько телескопов. В частности, они направили рентгеновский телескоп Rossi X-ray Timing Explorer - космический телескоп НАСА — на GRS 1915+105 каждые три дня, чтобы собрать высокоэнергетическое рентгеновское излучение из ее короны. Эти данные были объединены с данными телескопа Райла — массива радиотелескопов, расположенных примерно в 90 километрах к северу от Лондона, которые почти каждый день собирают низкоэнергетическое радиоизлучение от струи черной дыры.
Одновременный мониторинг рентгеновских лучей и радиоволн показал четкую корреляцию между ними. Как только корона черной дыры становится меньше (что приводит к ослаблению рентгеновского излучения), плазменная струя становится намного интенсивнее в радиоволнах и наоборот, что говорит о том, что корона регулярно "опустошается", эвакуируя материю, накопленную в виде струи.
"Наши результаты показывают, что энергия, питающая эту систему, может быть направлена в разных пропорциях, либо в первую очередь в рентгеновскую корону, либо в струю", — пишут исследователи в журнале . Эти наблюдения вместе с характером световых флуктуаций системы позволяют предположить, что в GRS 1915+105 рентгеновская корона превращается в джет. Анимация, предложенная Голландской школой астрономических исследований (NOVA), очень хорошо иллюстрирует это явление:
Ритм, напоминающий сердцебиение
Из-за близости к соседней звезде GRS 1915+105 "питается" ее материалом, который образует диск вокруг черной дыры непосредственно у горизонта событий. Корона состоит из электронов, нагретых до очень высоких температур, которые ускоряются, как в синхротроне, испуская мощное рентгеновское излучение. То, как черная дыра затем концентрирует этот материал в струю, имеет ритм, такой же регулярный, как биение сердца.
Хотя Мендес и его коллеги продемонстрировали этот последовательный механизм, некоторые вопросы остаются без ответа. Например, команда заметила, что рентгеновское излучение короны, наблюдаемое телескопами, более энергично, чем может объяснить только температура короны, что говорит о наличии другого источника энергии.
Исследователи подозревают, что источником избыточной энергии является магнитное поле. Магнитное поле также может объяснить образование джетов: если магнитное поле хаотично, корона нагревается; если оно становится менее хаотичным, материя может вырваться через линии поля и превратиться в джет.
Исследователи предполагают, что продемонстрированный ими принцип может быть применим к более массивным черным дырам, включая ту, что находится в центре нашей галактики. "Такое же направление энергии в джет и корону должно происходить в сверхмассивных черных дырах и, следовательно, применимо ко всему диапазону масс черных дыр", — заключают они.