Чёрные дыры играют ключевую роль в структуре галактик и в нашем понимании гравитации, пространства и времени. Чёрная дыра звёздной массы — это тип чёрной дыры, которая образуется в результате гравитационного коллапса массивной звезды в конце её жизненного цикла. Масса таких чёрных дыр обычно составляет от 3 до 20 масс нашего Солнца.

Иногда чёрные дыры генерируют потоки ионизированного газа (плазмы), которые выбрасываются наружу почти со скоростью света. Несмотря на то, что эти потоки были открыты более ста лет назад, вопрос о том, как и почему они возникают, остаётся загадкой, которую называют одним из "чудес физики". Результаты новой научной работы, опубликованные в "Трудах Астрономического общества Японии", показывают, что при быстром сжатии перегретого газового материала в направлении чёрной дыры происходит формирование струи.

Вращающиеся диски космической материи

Понимание выброса струй в чёрных дырах имеет решающее значение, поскольку проливает свет на эволюцию галактик, распределение энергии во Вселенной и свойства самих чёрных дыр. Струи влияют на формирование звёзд, распределяют энергию на огромных расстояниях и служат космическими маяками для обнаружения далёких чёрных дыр. Кроме того, они дают представление о фундаментальной физике чёрных дыр.

Внутренний край газового диска быстро сжимается по направлению к самой внутренней стабильной круговой орбите (ISCO) вблизи звёздной чёрной дыры, что приводит к выбросу плазменной струи. Струя продолжает выбрасываться до тех пор, пока внутренний край не перестанет двигаться, после чего струя прекращается. Авторы: Т. Кавагути (Университет Тоямы) и К. Ямаока (Университет Нагои) Такие материалы, как пыль и газ, притягиваются к чёрным дырам из-за их сильной гравитации. Этот материал вращается вокруг чёрной дыры в виде тонкого диска, называемого аккреционным диском, который необходим для формирования струи.

Ученые изучили систему черных дыр, состоящую из черной дыры звездной массы и похожей на Солнце звезды, которые вращаются вокруг друг друга. В этой системе в течение примерно 20 дней происходит 5 или 6 выбросов, что делает ее идеальной для изучения этого явления. Проанализировав данные рентгеновских и радиолокационных наблюдений за период с 1999 по 2000 год, они смогли отследить, как быстро меняется рентгеновское излучение вблизи черной дыры, и измерить общее количество энергии, вырабатываемой выбросами.

Причины образования струи

Результаты показали, что струи возникают, когда внутренний радиус аккреционного диска внезапно уменьшается и достигает самой внутренней стабильной круговой орбиты (ISCO), ближайшей к центру орбиты, по которой вещество может вращаться, не падая внутрь.

Внутренний край газового диска быстро сжимается по направлению к самой внутренней стабильной круговой орбите (ISCO) вблизи звёздной чёрной дыры, что приводит к выбросу плазменной струи. Струя продолжает выбрасываться до тех пор, пока внутренний край не перестанет двигаться, после чего струя прекращается. Авторы: Т. Кавагути (Университет Тоямы) и К. Ямаока (Университет Нагои) Исследователи заметили, что изначально внутренний радиус газового диска располагался дальше от чёрной дыры. Когда внутренний радиус диска быстро уменьшается и достигает ISCO, происходит выброс струи. Струя продолжает выбрасываться ещё некоторое время, однако, когда движение внутреннего края диска прекращается, струя тоже перестаёт выбрасываться.

Исходя из этого, они определили два ключевых условия, необходимых для того, чтобы звёздная чёрная дыра создавала струи: внутренний край газового диска, окружающего чёрную дыру, должен быстро приближаться к чёрной дыре, и это приближение должно достигать точки Лагранжа. Учёные уже знали, что при выбросе струи из чёрной дыры рентгеновское излучение становится "мягче" (больше низкоэнергетического рентгеновского излучения по сравнению с высокоэнергетическим) и демонстрирует меньше быстрых колебаний в краткосрочной перспективе. Это исследование показало, что такие изменения в рентгеновском излучении происходят из-за того, что внутренний край газового диска быстро приближается к чёрной дыре, что и является фактическим триггером для формирования струи. По мере того как этот внутренний край сжимается, он производит больше мягкого рентгеновского излучения с меньшей изменчивостью по сравнению с сильно изменчивым жёстким рентгеновским излучением. Это объясняет, почему рентгенограммы меняются непосредственно перед формированием струй.

Проведенное научное исследование показывает, что струи формируются в изменяющихся, динамичных условиях, а не в стабильных, статичных, как предполагалось во многих теоретических моделях. Теперь учёные могут лучше прогнозировать появление плазменных струй и изучать механизмы, лежащие в их основе, в режиме реального времени.

Наше открытие об образовании струй в черных дырах звездной массы может дать универсальный ключ к пониманию этих явлений. Хотя эти двойные системы, в которых черная дыра вращается вокруг обычной звезды, значительно отличаются от сверхмассивных черных дыр, расположенных в центре галактики, мы полагаем, что аналогичные физические механизмы действуют во всех масштабах черных дыр.

профессор Дж. Ямаока

Эксперт добавил, что несмотря на то, что из-за их более медленной эволюции и сложности измерения их внутренней структуры применение наших результатов к сверхмассивным чёрным дырам является нашим следующим шагом.

В Мексиканском заливе обнаружен новый вид рыб.

Фото и видео:  T. Kawaguchi (University of Toyama) & K. Yamaoka (Nagoya University)