Телескоп NuSTAR пролил свет на загадку джетов у чёрных дыр

Чёрные дыры известны тем, что поглощают материал, однако его небольшая часть ускользает от «прожорливых монстров» в виде мощных струй горячего газа, которые могут вызвать хаос вокруг них. Попутно эта плазма каким-то образом получает достаточный заряд энергии, благодаря которому начинает излучать видимый свет, образуя две яркие струи вдоль оси вращения чёрной дыры. Учёные давно спорят о том, как это происходит. И теперь у астрономов есть новые зацепки к разгадке этой тайны.

Используя космический телескоп NuSTAR и камеру ULTRACAM в Обсерватории Уильяма Гершеля в Ла-Пальме, Испания, учёные смогли измерить расстояние, которое преодолевают частицы вещества в струях горячего газа, прежде чем «включаются» и становятся яркими источниками света.

Учёные изучали две системы в Млечном Пути, называемые «рентгеновскими бинарными системами», в разных точках в периоды, когда аккреционный диск начинает светиться из-за падения материала. Так, система V404 Cygni достигла почти пиковой яркости во время наблюдения в июне 2015 года. В тот момент она произвела самую яркую вспышку, которую удавалось зафиксировать астрономам у рентгеновских бинарных систем в XXI веке. Вторая система — GX 339-4 — во время наблюдения обладала всего лишь одним процентом яркости. Звезда и чёрная дыра в GX 339-4 находятся гораздо ближе друг к другу, чем в системе V404 Cygni.

Несмотря на их различия, рентгеновские бинарные системы продемонстрировали одинаковые временные задержки — примерно одна десятая секунду — между обнаружением NuSTAR первого рентгеновского излучения и фиксацией ULTRACAM вспышки в видимом свете. Эта задержка меньше, чем моргание глаза, но существенна для физики струй горячего газа чёрной дыры.

«Одно из возможных объяснений заключается в том, что физика джетов определяется не размером аккреционного диска, а скоростью, температурой и другими свойствами частиц в струях горячего газа», — поясняет Пошак Ганди, ведущий автор исследования из Университета Саутгемптона, Великобритания.

© NASA/JPL-Caltech

Концептуальное изображение чёрной дыры с аккреционным диском

Наиболее вероятные теории учёных объясняют эти результаты тем, что рентгеновский свет излучает материал, находящийся очень близко к чёрной дыре. Сильные магнитные поля разгоняют часть вещества до высоких скоростей. Это приводит к столкновению частиц на скорости близкой к скорости света, возбуждая плазму до тех пор, пока она не начнёт излучать поток оптического излучения. Но в какой момент плазма начинает светиться? Измеренная задержка между рентгеновским и оптическим излучениями объясняет это. Путём умножения времени задержки на скорость частиц учёные определяют максимальное пройденное расстояние. Полученный результат в 30 тысяч километров представляет собой внутреннюю «зону ускорения», где плазма разгоняется и «включается», излучая свет. Это чуть меньше трёх диаметров Земли, что невероятно мало в космическом масштабе, особенно учитывая тот факт что, чёрная дыра в системе V404 Cygni массивнее Земли в 3 миллиона раз.

«Астрономы надеются усовершенствовать модели для реактивных механизмов, используя результаты этого исследования», — заключает Дэниел Стерн, соавтор исследования и астроном из Лаборатория реактивного движения в Калифорнии.

Полученные результаты исследования связаны с пониманием учёными сверхмассивных чёрных дыр. В системе под названием BL Lacertae с массой, превышающей массу Солнца в 200 миллионов раз, астрономы обнаружили, что задержки времени в миллионы раз превышают полученные в недавнем исследовании. Это означает, что размер зоны ускорения в струях горячего газа, скорее всего, связан с массой чёрной дыры.