Танец смерти у черной дыры: астрономы зафиксировали джеты, пожирающие звезду-компаньона

Астрономы наблюдали, как струи плазмы, вырывающиеся из черной дыры, пожирают голубую звезду-сверхгиганта — ее компаньона. Данные, полученные с помощью радиотелескопа Square Kilometre Array Observatory (SKA), позволили команде измерить мощность этих вспышек. Она оказалась сопоставима с излучением 10 000 солнц, что может помочь понять, как такие выбросы формируют целые галактики вокруг себя.

Изученная учеными система известна как Лебедь X-1 (Cyg X-1). Она расположена в 7 000 световых лет от Земли и является одним из ярчайших источников рентгеновского излучения на небе. Считается, что Cyg X-1 состоит из черной дыры звездной массы, масса которой примерно в 21 раз превышает массу Солнца, и которая питается от голубой звезды-сверхгиганта.

Черную дыру и ее звезду-донора разделяют всего 48 миллионов километров (30 миллионов миль), что составляет около 20% расстояния между Землей и Солнцем (0,2 астрономической единицы).

Голубая звезда-сверхгигант поставляет материю черной дыре Cyg X-1 через мощные звездные ветры, дующие с ее поверхности. Однако это вещество не может падать прямо в черную дыру из-за наличия у него момента импульса (вращения). Вместо этого оно образует уплощенное вращающееся облако, называемое аккреционным диском, которое постепенно питает черную дыру. Огромная гравитация черной дыры разогревает аккреционный диск, вызывая мощное рентгеновское излучение, связанное с Cyg X-1.

Но не вся материя находит путь в черную дыру. Часть ее направляется к полюсам черной дыры, откуда выбрасывается наружу в виде мощных струй — джетов. Астрономы смогли не только определить мощность этих джетов, но и выяснили, что они движутся со скоростью около 150 000 км/с (336 миллионов миль в час), что составляет примерно половину скорости света.

Пляшущие джеты и невидимая сила

Руководитель группы Стив Прабру из Оксфордского университета описал движение джетов на серии изображений SKA как их «танец». Это относилось к тому факту, что джеты Cyg X-1, казалось, отклонялись в разных направлениях по мере того, как звезда и черная дыра вращались вокруг друг друга. Прабру и его коллеги определили, что именно звездные ветры, дующие от звезды и толкающие джеты черной дыры, управляют этим «танцем».

Это открытие дает ученым лучшее представление о количестве энергии, которую джеты черной дыры высвобождают в окружающую среду.

«Ключевой вывод этого исследования заключается в том, что около 10% энергии, выделяемой при падении материи в черную дыру, уносится джетами», — сказал Прабру. — «Это именно то, что ученые обычно предполагают в крупномасштабных имитационных моделях Вселенной, но до сих пор было трудно подтвердить наблюдениями».

Прорыв для понимания сверхмассивных черных дыр

Что делает это исследование еще более захватывающим, так это то, что оно дает ученым способ измерения энергии джетов, вырывающихся из других черных дыр, включая гораздо более крупные сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах всех крупных галактик и обладают массой в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца.

«Поскольку наши теории предполагают, что физика вокруг черных дыр очень похожа, теперь мы можем использовать это измерение как якорь для нашего понимания джетов, независимо от того, исходят ли они от черных дыр с массой в 10 или 10 миллионов масс Солнца», — сказал участник команды Джеймс Миллер Джонс из Куртинского института радиоастрономии (CIRA).

Он добавил: «С появлением таких радиотелескопных проектов, как Square Kilometre Array Observatory, который в настоящее время строится в Западной Австралии и Южной Африке, мы ожидаем обнаружить джеты от черных дыр в миллионах далеких галактик. И якорная точка, полученная с помощью этого нового измерения, поможет откалибровать их общую выходную мощность. Джеты черных дыр обеспечивают важную обратную связь с окружающей средой и имеют решающее значение для понимания эволюции галактик».

Теперь перед астрономами стоит новая задача: выяснить, меняется ли со временем доля энергии (те самые 10%), уносимая джетами, в зависимости от темпа поглощения материи черной дырой. Кроме того, команда планирует применить ту же методику к другим двойным системам с черными дырами, чтобы проверить, является ли «танец» джетов универсальным явлением или уникальной особенностью именно Лебедя X-1.

Результаты исследования были опубликованы в четверг (16 апреля) в журнале Nature Astronomy. Это открытие не только проливает свет на жестокие процессы в двойных звездных системах, но и приближает нас к разгадке того, как черные дыры — от небольших до сверхмассивных — влияют на формирование звезд, судьбу галактик и даже на структуру всей Вселенной.