Ученые обнаружили, как черные дыры звездной массы испускают мощные плазменные струи

Внутренний край газового диска быстро сжимается к внутренней устойчивой круговой орбите (ISCO) около звездной черной дыры, вызывая извержение струи плазмы. Струя продолжает извергаться до тех пор, пока внутренний край не перестанет двигаться, после чего струя прекращается. Автор: T. Kawaguchi (University of Toyama) & K. Yamaoka (Nagoya University)

Иногда черные дыры генерируют пучки ионизированного газа (плазмы), которые вылетают наружу со скоростью, близкой к скорости света. Хотя они были обнаружены более века назад, как и почему возникают джеты, они остаются загадкой, описываемой как одно из «чудес физики».

Профессор Казутака Ямаока из Нагойского университета в Японии вместе со своими коллегами из Университета Тоямы и других международных институтов обнаружили ключевые условия, необходимые для того, чтобы звездная черная дыра создавала плазменные струи. Их выводы, опубликованные в Publications of the Astronomical Society of Japan, показывают, что когда перегретый газовый материал испытывает быстрое сжатие по направлению к черной дыре, происходит образование струй.

Вращающиеся диски космической материи

Понимание выброса струй в черных дырах имеет решающее значение, поскольку оно проливает свет на эволюцию галактик, распределение энергии во Вселенной и свойства самих черных дыр. Струи влияют на формирование звезд, распределяют энергию на огромные расстояния и служат космическими маяками для обнаружения далеких черных дыр. Кроме того, они дают представление о фундаментальной физике черных дыр.

Материал, такой как пыль и газ, притягивается к черным дырам из-за их сильной гравитации. Этот материал вращается вокруг черной дыры в тонком диске, называемом аккреционным диском, который необходим для формирования джета.

Ученые изучали систему черных дыр, состоящую из черной дыры звездной массы и звезды, похожей на Солнце, вращающихся вокруг друг друга. В этой системе 5 или 6 струй происходят в течение периода около 20 дней, что делает ее идеальной для изучения этого явления. Анализируя данные рентгеновских и радионаблюдений с 1999 по 2000 год, они смогли отследить, как быстро рентгеновские излучения вблизи черной дыры менялись с течением времени, и измерить общее количество энергии, производимой струями.

Причины образования струи

Результаты показали, что струи возникают, когда внутренний радиус аккреционного диска внезапно уменьшается и достигает самой внутренней устойчивой круговой орбиты (ISCO), ближайшей к которой может двигаться материя, не падая на нее.

Внутренний край газового диска быстро сжимается к внутренней устойчивой круговой орбите (ISCO) около звездной черной дыры, вызывая извержение струи плазмы. Струя продолжает извергаться до тех пор, пока внутренний край не перестанет двигаться, после чего струя прекращается. Автор: T. Kawaguchi (University of Toyama) & K. Yamaoka (Nagoya University)

Исследователи заметили, что изначально внутренний радиус газового диска был расположен дальше от черной дыры. Когда внутренний радиус диска быстро сжимается и достигает ISCO, струя извергается. Струя продолжает извергаться некоторое время; однако, когда сжимающееся движение внутреннего края диска прекращается, струя сама прекращается.

Исходя из этого, они определили два ключевых условия, необходимых для того, чтобы звездная черная дыра создавала джеты: внутренний край газового диска, окружающего черную дыру, должен быстро приближаться к черной дыре, и это движение должно достигать ISCO.

Ученые уже знали, что когда черная дыра извергает джет, рентгеновские лучи становятся «мягче» (больше низкоэнергетических рентгеновских лучей по сравнению с высокоэнергетическими) и показывают меньше быстрых флуктуаций в короткие сроки. Это исследование обнаружило, что эти изменения рентгеновского излучения происходят из-за того, что внутренний край газового диска быстро приближается к черной дыре, что является фактическим триггером для образования джета. По мере того, как этот внутренний край сжимается, он производит больше мягких рентгеновских лучей с меньшей изменчивостью по сравнению с сильно изменчивыми жесткими рентгеновскими лучами. Это объясняет, почему рентгеновские узоры меняются прямо перед образованием джетов.

Это исследование показывает, что струи формируются в изменяющихся динамических условиях, а не в стабильных статических, как предполагали многие теоретические модели. Теперь ученые могут лучше предсказывать возникновение плазменных струй и изучать механизмы, лежащие в их основе, в режиме реального времени.

«Наше открытие относительно формирования струй в черных дырах звездной массы может дать универсальный ключ к пониманию этих явлений. Хотя эти двойные системы, в которых черная дыра вращается вокруг обычной звезды, существенно отличаются от сверхмассивных черных дыр, расположенных в центре галактики, мы считаем, что во всех масштабах черных дыр действуют схожие физические механизмы», — пояснил профессор Ямаока.

«Хотя это и сложно из-за их более медленной эволюции во времени и сложности измерения их внутренней структуры, применение наших результатов к сверхмассивным черным дырам — это наш следующий шаг», — добавил он.

Больше информации: Kazutaka Yamaoka et al, X-ray spectral and timing properties of the black hole binary XTE J1859+226 and their relation to jets, Publications of the Astronomical Society of Japan (2025). DOI: 10.1093/pasj/psae113

Источник: Nagoya University