Визуализация рентгеновской поляриметрии Explorer исследует форму короны чёрной дыры

Эта иллюстрация материала, вращающегося вокруг черной дыры, подчеркивает особую особенность, называемую «короной», которая ярко светится в рентгеновском свете. На этом изображении корону можно увидеть как фиолетовую дымку, парящую над нижележащим аккреционным диском и слегка простирающуюся внутрь его внутреннего края. Материал внутри внутреннего аккреционного диска невероятно горячий и светится ослепительным сине-белым светом, но здесь его яркость была уменьшена, чтобы корона выделялась с лучшим контрастом. Его фиолетовый цвет является чисто иллюстративным, заменяя рентгеновское свечение, которое не было бы очевидным в видимом свете. Деформация в диске является реалистичным представлением того, как огромная гравитация черной дыры действует как оптическая линза, искажая наш вид плоского диска, который ее окружает. Автор: NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt

Новые результаты, полученные с использованием данных миссии NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), предлагают беспрецедентное понимание формы и природы важной для черных дыр структуры, называемой короной. Результаты опубликованы в The Astrophysical Journal.

Корона — это смещающаяся область плазмы, которая является частью потока материи на черную дыру, о которой ученые имеют только теоретическое представление. Новые результаты впервые раскрывают форму короны и могут помочь ученым понять роль короны в питании и поддержании черных дыр.

Многие черные дыры, названные так потому, что даже свет не может вырваться из их титанической гравитации, окружены аккреционными дисками, загроможденными мусором водоворотами газа. Некоторые черные дыры также имеют релятивистские струи — сверхмощные выбросы материи, выбрасываемые в космос на высокой скорости черными дырами, которые активно поедают материал в своем окружении.

Менее известно, возможно, то, что перекусывающие черные дыры, подобно земному солнцу и другим звездам, также обладают перегретой короной. В то время как солнечная корона, которая является самой внешней атмосферой звезды, горит при температуре примерно 1,8 миллиона градусов по Фаренгейту, температура короны черной дыры оценивается в миллиарды градусов.

Ранее астрофизики обнаружили короны среди черных дыр звездной массы (образующихся в результате коллапса звезды) и сверхмассивных черных дыр, таких как та, что находится в центре галактики Млечный Путь.

«Ученые давно размышляют о составе и геометрии короны», — говорит Линн Сааде, научный сотрудник-постдокторант в Центре космических полетов имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, и ведущий автор новых результатов. «Это сфера над и под черной дырой, или атмосфера, созданная аккреционным диском, или, может быть, плазма, расположенная у основания струй?»

Введите IXPE, который специализируется на рентгеновской поляризации, характеристике света, которая помогает картировать форму и структуру даже самых мощных источников энергии, освещая их внутреннюю работу, даже когда объекты слишком малы, ярки или далеки, чтобы увидеть их напрямую. Так же, как мы можем безопасно наблюдать солнечную корону во время полного солнечного затмения, IXPE предоставляет средства для четкого изучения геометрии аккреции черной дыры или формы и структуры ее аккреционного диска и связанных структур, включая корону.

«Рентгеновская поляризация дает новый способ изучения геометрии аккреции черных дыр», — сказал Сааде. «Если геометрия аккреции черных дыр одинакова независимо от массы, мы ожидаем, что то же самое будет справедливо и для их поляризационных свойств».

Исследовательская группа изучила данные наблюдений IXPE за 12 черными дырами, среди которых Cygnus X-1 и Cygnus X-3, двойные системы черных дыр звездной массы, расположенные на расстоянии около 7000 и 37000 световых лет от Земли соответственно, а также LMC X-1 и LMC X-3, черные дыры звездной массы в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии более 165000 световых лет.

IXPE также обнаружил несколько сверхмассивных черных дыр, включая ту, что находится в центре галактики Циркуль, в 13 миллионах световых лет от Земли, а также в галактиках NGC 1068 и NGC 4151, на расстоянии 47 миллионов световых лет и почти 62 миллионов световых лет соответственно.

Черные дыры звездной массы обычно имеют массу примерно в 10–30 раз больше массы Солнца Земли, тогда как сверхмассивные черные дыры могут иметь массу в миллионы или десятки миллиардов раз больше. Несмотря на эти огромные различия в масштабах, данные IXPE показывают, что оба типа черных дыр создают аккреционные диски схожей геометрии.

«Это удивительно», — сказал астрофизик из Института Маршалла Филип Каарет, главный исследователь миссии IXPE, поскольку способы питания этих двух типов совершенно разные.

«Черные дыры звездной массы вырывают массу из своих звезд-компаньонов, тогда как сверхмассивные черные дыры поглощают все вокруг себя», — сказал он. «Но механизм аккреции функционирует примерно так же».

По словам Сааде, это захватывающая перспектива, поскольку она предполагает, что исследования черных дыр звездной массы, которые обычно находятся гораздо ближе к Земле, чем их гораздо более массивные собратья, могут помочь пролить новый свет на свойства сверхмассивных черных дыр.

В дальнейшем команда надеется провести дополнительные исследования обоих типов.

Сааде ожидает, что рентгеновские исследования этих гигантов позволят почерпнуть гораздо больше информации.

«IXPE предоставил рентгеновской астрономии первую за долгое время возможность раскрыть основные процессы аккреции и получить новые данные о черных дырах», — сказала она.

Больше информации: M. Lynne Saade et al, A Comparison of the X-Ray Polarimetric Properties of Stellar and Supermassive Black Holes, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad73a3

Источник: NASA