"Сердцебиение" черных дыр раскрывает десятилетнюю загадку плазменных струй

Колебания света от черной дыры, наблюдаемые в течение 15 лет, позволили больше узнать о том, как питаются эти загадочные объекты.

Сначала вокруг внешней стороны горизонта событий формируется структура, называемая короной. Затем из полюсов вырываются мощные струи плазмы, выбивающие материал из короны в межзвездное пространство со скоростью, близкой к скорости света в вакууме.

Это открытие, которое можно сравнить с ритмичным биением "сердца", решает давно открытый вопрос в науке о черных дырах.

"Это звучит логично, но в течение двадцати лет велись споры о том, являются ли корона и джет просто одним и тем же", - объясняет астрофизик Мариано Мендес из Гронингенского университета в Нидерландах.

"Теперь мы видим, что они возникают один за другим и что струя следует за короной".

Черная дыра, о которой идет речь, составляет часть звезды GRS 1915+105, расположенной на расстоянии около 36 000 световых лет от Солнца. Это то, что мы называем микроквазаром - черная дыра звездной массы, запертая в тесной бинарной системе с другим объектом и питающаяся от него; в случае GRS 1915+105 это обычная звезда.

Поскольку два объекта находятся так близко друг к другу, черная дыра отбирает материал у звезды; этот материал образует диск вокруг черной дыры, который постепенно питает ее.

То же самое мы видим в больших масштабах в квазарах, которые представляют собой галактические ядра, содержащие активную сверхмассивную черную дыру, масса которой в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца.

Масса черной дыры GRS 1915+105 всего в 12 раз больше массы Солнца, следовательно, это микроквазар; несмотря на это, это одна из самых массивных черных дыр со звездной массой, известных в Млечном Пути.

Этот процесс генерирует много света из-за нагрева диска и сложной среды вокруг черной дыры. Одной из светогенерирующих структур является корона, расположенная между внутренним краем аккреционного диска и горизонтом событий.

Это область обжигающе горячих электронов, которые, как полагают, питаются магнитным полем черной дыры, действующим как синхротрон, ускоряя электроны до таких высоких энергий, что они ярко светят в рентгеновском диапазоне.

Кроме того, существуют струи. Предполагается, что они состоят из материала, ускоренного вдоль линий магнитного поля за пределами горизонта событий черной дыры к полярным областям, где они запускаются в космос на большой скорости, излучая свет в радиодиапазоне.

Во всяком случае, так считают ученые. Пространство вокруг черных дыр настолько экстремально, что трудно разобраться в происходящих там процессах.

Мендес и его коллеги хотели узнать больше о том, как ускоряются и запускаются струи. Они собрали рентгеновские и радиоданные о микроквазаре, собранные в период с 1996 по 2012 год, и тщательно изучили их в поисках подсказок.

Их окончательная выборка состояла из 410 одновременных рентгеновских и радио наблюдений GRS 1915+105. Это означало, что они могли наблюдать изменения в обоих видах света одновременно. Они обнаружили, что когда рентгеновское излучение сильное, радиоизлучение слабое, и наоборот; и что струи наиболее сильны, когда корона наименьшая.

Это говорит о том, что энергия, питающая систему микроквазаров, может быть направлена либо на рентгеновскую корону, либо на релятивистскую струю. Дополнив модели флуктуаций света от системы, исследователи пришли к выводу, что, по крайней мере, в GRS 1915+105, похоже, что корона превращается в джет.

"Было довольно сложно продемонстрировать этот последовательный характер", - сказал Мендес. "Нам пришлось сравнивать данные за годы с данными за секунды, а также данные очень высоких энергий с данными очень низких энергий".

Далее команде предстоит попытаться объяснить некоторые странности, которые выявили их наблюдения. Рентгеновская корона ярче, чем можно объяснить только температурой. Это означает, что в игре может быть что-то еще. Команда считает, что причиной может быть магнитное поле.

Дифференциальное вращение черной дыры и аккреционного диска может привести к запутыванию и хаотизации магнитного поля. Когда магнитное поле хаотично, предполагает команда, корона нагревается; когда оно возвращается в порядок, материал может вырваться наружу, и таким образом запускаются струи.

И этот процесс должен зависеть от массы черной дыры, что может помочь нам понять, как ведут себя массивные квазары.

"В принципе, - пишут исследователи, - такое же направление энергии в джет и корону должно происходить в сверхмассивных черных дырах, и, следовательно, должно быть применимо ко всему диапазону масс черных дыр в фундаментальной плоскости активности черных дыр".

Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy.