Космический шторм: как черная дыра выплевывает свою «еду» со скоростью света

Сверхмассивные черные дыры известны как неаккуратные «едоки», но чудовище в сердце спиральной галактики NGC 3783 бьет все рекорды — оно не только поглощает материю, но и отшвыривает ее прочь в космос со скоростью, равной одной пятой от скорости света.

Астрономы недавно зафиксировали шквал горячих заряженных частиц, извергнутый этой черной дырой вслед за мощной рентгеновской вспышкой, произошедшей всего несколькими часами ранее. Как описал это один из соавторов исследования, Маттео Гуайнацци, представьте себе космическую бурю, «похожую на вспышки на Солнце, но в масштабах, которые почти невозможно вообразить». Гуайнацци, научный сотрудник проекта рентгеновского телескопа XRISM Европейского космического агентства, чьи данные привели к этому открытию, подчеркивает: это зрелище поможет астрофизикам лучше понять, как сверхмассивные черные дыры формируют судьбу своих галактик.

Высвобождение космического шторма

Сначала астрономы с помощью XRISM обнаружили краткую, но интенсивную вспышку рентгеновского излучения из области вокруг черной дыры. Спустя несколько часов тот же инструмент зарегистрировал выброс «ветра» — потока частиц, мчащегося наружу со скоростью 216 миллионов километров в час. Приборы XRISM измерили скорость и структуру этого ветра и точно определили его источник, в то время как инструменты рентгеновского телескопа XMM-Newton помогли оценить масштаб космического шторма. Астрофизик из Нидерландского института космических исследований Лии Гу, также соавтор исследования, и ее коллеги утверждают, что процесс, породивший шторм, не сильно отличается от того, что вызывает солнечные вспышки и корональные выбросы массы на нашем Солнце — просто в колоссальном масштабе.

«Похоже, что ветра вокруг этой черной дыры были созданы, когда запутанное магнитное поле активного галактического ядра внезапно "распуталось"», — пояснил Гуайнацци.

Магнитное поле нашего Солнца постоянно в движении. Иногда его силовые линии разрываются и затем пересоединяются. Это бурное разъединение и воссоединение запускает солнечную вспышку — кратковременный выброс излучения с поверхности светила. Тот же процесс часто выбрасывает в пространство огромный сгусток плазмы.

Но сверхмассивная черная дыра в ядре NGC 3783 в 30 миллионов раз массивнее нашего скромного Солнца, а извивающееся вокруг нее магнитное поле в миллионы раз сильнее. Поэтому, когда ее силовые линии рвутся и пересоединяются, результатом становится вспышка почти немыслимой мощности.

И если типичный корональный выброс массы с Солнца движется со скоростью более 4,8 миллиона км/ч, то выброс от черной дыры NGC 3783 был зафиксирован на скорости свыше 216 миллионов км/ч. Это около 0,2 скорости света (едва достаточно, чтобы считаться релятивистским).

Космические истерики и судьба галактик

Сверхмассивные черные дыры (по крайней мере, те, что активно поглощают вещество из своих галактик) известны созданием релятивистских струй — потоков плазмы, вырывающихся в противоположных направлениях от их магнитных полюсов. Некоторые пары таких струй могут простираться более чем на миллион световых лет, шире, чем рукава их родных галактик. Эти струи могут достигать скоростей, гораздо более близких к скорости света, и длиться намного дольше, чем недавний единичный выброс, но они питаются (частично) процессами, схожими с тем, что происходит в магнитном поле вокруг сверхмассивной черной дыры.

Однако релятивистские струи и едва-релятивистские вспышки вроде этой — не единственные процессы на границах черных дыр. Область пространства вблизи горизонта событий, называемая аккреционным диском, — это место, где мощные магнитные силовые линии исполняют свой танец, а вещество разгоняется до поистине нелепых скоростей, падая внутрь. Именно здесь эта скорость и случайные выбросы энергии могут отшвырнуть материю в космос, иногда даже за пределы родной галактики.

Недавно наблюдаемый выброс космического ветра дает астрофизикам возможность заглянуть в механические детали по крайней мере одного из этих процессов. Это может помочь распутать некоторые из способов, которыми ненасытные, но зачастую неаккуратные «привычки в еде» сверхмассивной черной дыры формируют будущее ее галактики.

Если черная дыра затягивает слишком много материи слишком быстро или выбрасывает слишком много вещества из своей галактики, она может лишить себя источника пищи и остановить звездообразование в галактике. С другой стороны, выбросы плазмы обратно в галактику могут запустить новые волны рождения звезд. Это сложная петля обратной связи, которую физики стремятся понять в деталях.

«Ветреные активные галактические ядра также играют большую роль в том, как их родные галактики эволюционируют со временем и как формируют новые звезды, — сказала в недавнем пресс-релизе научный сотрудник ЕКА Камий Дье, соавтор исследования. — Поскольку их влияние так велико, понимание магнетизма активных ядер и того, как они порождают такие ветра, является ключом к разгадке истории галактик во всей Вселенной».