Космология

NuSTAR исследует джеты черных дыр

Отправлено: Ноябрь 1, 2017 в 19:09

Категория: «Переводы»

Черные дыры известны как «пожиратели материи», но они поглощают не все, что на них падает. Небольшая часть вещества выбрасывается обратно в виде джетов горячего газа, струй плазмы, способных уничтожить все на своем пути. Вещество в струе определенным образом возбуждается до уровня, достаточного для того, чтобы активно излучать свет, и образует два ярких конуса вдоль оси вращения черной дыры. Ученые давно обсуждают природу процессов, происходящих внутри джетов.

Черная дыра с аккреционным диском и ее джеты
Взгляд художника на черную дыру с аккреционным диском – плоской структурой из вещества, вращающегося вокруг черной дыры – и струи горячего газа, называемые джетами.
NASA/JPL-Caltech

Сейчас у астрономов появились новые данные относительно данного явления. Используя космический телескоп NASA NuSTAR и сверхбыструю камеру под названием ULTRACAM в Обсерватории Уильяма Гершеля (остров Пальма, Испания), ученым удалось измерить дистанцию, которую преодолевают частицы в джетах перед тем как «зажечься» и стать яркими источниками света. Это расстояние называется «зоной ускорения». Работа была опубликована в журнале Nature Astronomy.

Ученые наблюдали за двумя рентгеновскими двойными системами в Млечном Пути, каждая из которых представляет собой черную дыру и постепенно поглощаемую ей обычную звезду. Эти системы изучались на различных этапах всплесков активности, в ходе которых аккреционный диск становится ярче из-за поглощения вещества черной дырой.

Одна из систем, под названием V404 Cygni, была практически на пике яркости, когда ученые заметили ее в июне 2015 года. На текущий момент — это самая яркая вспышка рентгеновской двойной звезды, из зарегистрированных в 21 веке. Интенсивность излучения от второй системы, с индексом GX 339-4, на момент наблюдения была меньше 1 процента от ожидаемой. Также звезда и черная дыра в GX 339-4 расположены значительно ближе друг к другу, чем в системе V404 Cygni.

Несмотря на все эти различия, задержки между обнаружением рентгеновского излучения телескопом NuSTAR и обнаружением видимого света при помощи ULTRACAM, оказались одинаковыми и составили около одной десятой секунды. За это время вы не успеете даже моргнуть, но это значимая задержка для физики джетов черных дыр.

«Это может говорить о том, что физика джетов определяется не размером диска, а скоростью, температурой и другими свойствами частиц в основании джетов», – говорит Пошак Ганди (Poshak Gandhi), ведущий автор исследования и астроном Саутгемптонского университета, Великобритания.

Лучшая теория, объясняющая такой результат, состоит в том, что рентгеновское излучение создается веществом, находящимся в непосредственной близости от черной дыры, прямо перед переходом горизонта событий. Сильные магнитные поля выбрасывают часть этого вещества вдоль полюсов, разгоняя его до огромных скоростей. Это приводит к тому, что частицы, сталкиваясь на околосветовых скоростях, придают плазме очень большую энергию и она начинает излучать в видимом спектре, который регистрирует ULTRACAM.

В какой части джета запускается данный процесс? Измерение задержки между рентгеновским и оптическим излучением дает ответ на этот вопрос. Умножив время на скорость частиц, которая близка к скорости света, ученые определили максимальное пройденное расстояние.

Пространство приблизительно в 30 000 километров представляет собой зону внутреннего ускорения в джете, где вещество, перемещаясь с огромной скоростью, «зажигается» и начинает излучать свет. Это расстояние чуть меньше, чем три диаметра Земли, что крайне мало по космическим масштабам, особенно учитывая тот факт, что черная дыра в системе V404 Cygni в 3 миллиона раз тяжелее нашей планеты.

«Астрономы надеются усовершенствовать модели формирования джетов используя результаты данного исследования», – сказал Дэниел Штерн (Daniel Stern), соавтор исследования и астроном в NASA JPL (Лаборатория реактивного движения), Пасадена, Калифорния.

Выполнить эти измерения было непросто. И рентгеновские телескопы в космосе, и наземные оптические телескопы должны быть направлены на рентгеновскую двойную звезду точно в момент вспышки, позволяя ученым вычислить крошечную задержку между регистрациями различных типов излучения. Такая работа может быть проделана только при высоком уровне согласованности между командами обсерваторий. Фактически, во время всплеска активности в 2015 году координация между NuSTAR и ULTRACAM была возможна только в течение часа, но этого оказалось достаточно, чтобы провести потрясающие расчёты относительно зоны ускорения.

Значение для науки и дальнейшие исследования

Также результаты оказались связаны с пониманием учеными сверхмассивных черных дыр, гораздо больших, чем в данном исследовании. Для сверхмассивной системы BL Lacertae, вес которой в 200 миллионов раз превышает массу нашего Солнца, ученые получили временную задержку в миллионы раз больше. Вероятно, это означает, что размер области ускорения джетов связан с массой черной дыры.

«Мы взволнованны, потому что, похоже, что нам удалось найти характерный критерий, связанный с внутренней работой джетов, не только для черных дыр звездных масс, как в V404 Cygni, но и для сверхмассивных монстров», – сказал Ганди.

Следующими шагами будут подтверждение измеренной задержки путем наблюдения других рентгеновских двойных звезд и разработка теории, которая сможет объяснить физику джетов для черных дыр любого размера.

«Совместная работа наземных и космических телескопов стала ключом к данному открытию. Но это только начало и нам еще многое предстоит узнать. Безусловно, в будущем мы приблизимся к пониманию экстремальной физики черных дыр», – говорит Фиона Гаррисон (Fiona Harrison), ведущий научный сотрудник NuSTAR и профессор астрономии в Калтехе, Пасадена.

NuSTAR разработан в рамках программы малых космических спутников, находится под руководством Калифорнийского технологического университета и управляется NASA JPL. Телескоп разрабатывался при сотрудничестве с Датским техническим университетом и Итальянским космическим агентством (ASI).

Дополнительная информация о NuSTAR доступна по ссылкам:
https://www.nasa.gov/nustar
http://www.nustar.caltech.edu/

Оригинал статьи: NuSTAR Probes Black Hole Jet Mystery
Все права принадлежат NASA/JPL-Caltech.