Астрофизики впервые определили содержание струй чёрной дыры

Струи, которые испускают активные чёрные дыры, являются мощными пучками материи, выбрасываемые на огромной скорости. До недавнего времени состав и природа этих "лучей" оставались неизвестными.

"Несмотря на то, что эти явления наблюдались в течение нескольких десятилетий, мы до сих пор не знаем наверняка, из чего состоят струи чёрных дыр и что провоцирует их выброс", -говорит ведущий автор нового исследования Мария Диас Триго (María Díaz Trigo) из Европейской южной обсерватории.

Команда астрофизиков занималась изучением радиоволн и рентгеновского излучения, испускаемого небольшой чёрной дырой 4U 1630-47, масса который всего в несколько раз превышает солнечную. Для наблюдения в радиодиапазоне учёные использовали наземный телескоп CSIRO Australia Telescope Compact Array, а рентгеновское излучение изучали при помощи космического аппарата ESA XMM-Newton.

Ни одно, ни другое наблюдение изначально не выявило ничего необычного, несмотря на то, что объект явно был активным.

Через несколько недель учёные вновь взглянули на объект своего исследования и заметили следы радиоизлучения, указывающие на то, что дыра стала испускать свои загадочные струи материи. Что ещё более интересно, наблюдения в рентгеновском диапазоне также дали свои результаты, то есть эти струи состоят, по всей видимости, из самых обычных атомов.

Здесь сработал так называемый эффект Доплера. Для астрономов это явление служит главным ориентиром: если наблюдается красное смещение (в сторону больших длин волн), значит, объект, кажущийся красноватым, удаляется от нас; а если очевидно синее смещение (меньшие длины волн), значит, "синеватый" объект приближается. В данном случае произошло почти то же самое, только с гораздо большим разбросом по спектру электромагнитного излучения: радиоволны (большая длина волны) сместились к рентгеновскому диапазону с куда меньшей длиной волны.

"Наблюдаемое смещение оказалось очень значительным", — утверждает руководитель радионаблюдений Джеймс Миллер Джонс (James Miller Jones) из университета Кёртин.

Исследователи сделали вывод, что частицы в струе ускоряются до очень больших скоростей (позднее они подсчитали, что они движутся со скоростью 198 тысяч километров в секунду, что составляет 66% от скорости света). При этом выбросы происходят, как вверх, так и вниз от плоскости чёрной дыры, то есть часть потока летит прочь от Земли, а часть приближается к нашей планете.

"Мы знали, что в струях чёрных дыр содержатся электроны, но в целом весь поток не был отрицательно заряжен, а значит, в его составе есть и какие-то положительно заряженные частицы", — рассказывает Миллер Джонс.

Авторы предыдущих исследований предполагали, что положительный заряд струе могут придавать как позитроны, частицы антиматерии, противоположные электронам, так и обычные положительно заряженные атомы. Диас Триго и её команда предоставили свидетельства наличия в струях частиц никеля и железа, что указывает на то, что за положительный заряд всего потока отвечают обычные атомы.

Но это открытие породило ещё одну загадку. Поскольку целые атомы намного тяжелее позитронов, струи выводят гораздо больше энергии из чёрной дыры, чем были принято считать ранее. В связи с этим встаёт вопрос: выбрасывает ли потоки сама чёрная дыра вследствие своего быстрого вращения или же струи выходят из диска материи, её окружающего?

"Наши результаты показывают, что ответственность за выброс потоков материи всё-таки лежит на диске, окружающем погибшие звёзды. Мы собираемся провести больше наблюдений и расчётов, чтобы это подтвердить", — заключает Миллер Джонс.