Ученые проникают в тайну бушующих черных дыр

Окт 31, 2017 Леонид Гляделов

Они являются собственными лучами Звезды Смерти - сверхмощными струями энергии, которые вылетают из окрестностей черных дыр, таких как смертельные лучи от супер-оружия Звездных войн.

Теперь группа ученых, возглавляемая Саутгемптонским университетом, приблизилась к пониманию этих загадочных космических явлений - известных как релятивистские струи - путем измерения того, как быстро они «включаются» и начинают ярко светиться после их запуска.

Одна теория предполагает, что они развиваются в «аккреционном диске» - вещество всасывается в орбиту растущей черной дыры. Экстремальная гравитация внутри диска крутит и растягивает магнитные поля, сжимая горячий, намагниченный материал диска, называемый плазмой, до тех пор, пока он не прорвется в виде противоположно направленных магнитных столбов вдоль оси вращения черной дыры.

Плазма путешествует по этим сосредоточенным струям и получает огромную скорость, стреляя по огромным участкам пространства. В какой-то момент плазма начинает сиять ярко, но как и где это происходит в струе, обсуждали ученые.

В новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature Astronomy, международная команда ученых во главе с доктором Пошаком Ганди показывает, как они использовали точные многоволновые наблюдения бинарной системы под названием V404 Cygni, состоящие из звезды и черной дыры, тесно вращающихся вокруг друг друга, с черной дырой, подающей вещество от звезды, которая падает через диск, - чтобы пролить свет на это горячо обсуждаемое явление.
V404 Cygni расположен на расстоянии примерно в 7 800 световых лет от созвездия Лебедя и весит около девяти наших Солнц. Д-р Ганди и его сотрудники записали данные в июне 2015 года, когда наблюдался V404 Cygni, излучающий одну из самых ярких «вспышек» света из черной дыры, когда-либо виденной - достаточно яркой, чтобы быть заметной для небольших телескопов, используемых астрономами-любителями, и достаточно энергичной, чтоб разорвать планету на подобии Земли, если она правильно сфокусирована.

Используя телескопы на Земле и в космосе, наблюдая в одно и то же время, они фиксировали 0,1-секундную задержку между рентгеновскими вспышками, испускаемыми около черной дыры, где образуется струя, и появлением видимых световых вспышек, отмечая момент, когда ускоряется струйная плазма.

Это «мгновение» было рассчитано как максимальное расстояние в 19 000 миль (30 000 км), которое невозможно разрешить на расстоянии V404 с любым текущим телескопом.
Д-р Ганди из Университета Саутгемптона сказал: «Ученые наблюдают в течение десятилетий, но далеко не понимают, как природа создает эти невероятно огромные и энергичные структуры.

«Впервые мы зафиксировали временную задержку между появлением рентгеновских лучей и появлением оптического света в черной дыре звездной массы в момент активации реактивной плазменной струи. Это заставляет оспаривать противоречие в отношении происхождение оптических вспышек, а также дает нам критическое расстояние, на котором реактивная плазма должна была сильно ускоряться до скоростей, приближающихся к скорости света».

В терминах «Звездных войн» ключевое измерение этого исследования можно приблизительно сравнить с измерением расстояния между поверхностью Звезды Смерти, где вспыхивают многочисленные лучи света, и точкой, где они сходятся в один яркий луч.
«Но физика струй черных дыр не имеет ничего общего с лазерами или вымышленными кристаллами , которые влияют на Звезду Смерти. Природа нашла другие способы подачи струй энергии», - сказал д-р Ганди. «Гравитация и магнитные поля играют здесь ключевые роли, и это тот механизм, который мы пытаемся разгадать».

Исследование также создает связь между V404 Cygni и сверхмассивными черными дырами , которые лежат в центре массивных галактик и которые в миллиарды раз больше, чем черные дыры звездной массы. Подобная физика струй может применяться ко всем черным дырам.

Д-р Ганди сказал: «Это захватывающее и важное открытие, которое можно вернуть к теории о релятивистских струях и способствует нашему постоянно растущему пониманию черных дыр».Рентгеновское излучение, представляющее собой аккреционный диск, «подающий» струю у ее основания, был захвачен с орбиты Земли на телескопе NASA NuSTAR, а момент, когда струя стала видимой, когда оптический свет был захвачен высокоскоростной камерой ULTRACAM, смонтированной на телескопе Уильяма Гершеля на Ла-Пальме, на Канарских островах.

Профессор Вик Дхиллон из Университета Шеффилда, главный исследователь ULTRACAM, прокомментировал: «Это открытие стало возможным благодаря нашей камере, собирающей 28 кадров в секунду, и демонстрирует неиспользованный потенциал изучения астрофизических явлений на высоких скоростях».

В то же время радиоволны из протяженных частей реактивной плазмы наблюдались командой профессора Роба Фендера из Оксфордского университета с использованием радиотелескопа AMI-LA в Кембридже, Великобритания.

Профессор Фэндер сказал: «Эти наблюдения - еще один важный шаг к пониманию того, как релятивистские струи формируются черными дырами . Радиоизлучения исходят от внешней струи и являются ключевым недвусмысленным индикатором текущей активности струи. Оптические рентгеновские лучи и радио были также важно для этого открытия».