1713
Астрофізики знайшли спосіб розв’язати давню суперечність у тому, як надмасивні чорні діри запускають свої гігантські джети. Нове дослідження, про яке розповідає Universe Today, показало, що в околиці чорної діри може існувати одразу два акреційні диски — зовнішній холодний і внутрішній гарячий. Саме гарячий, товстий внутрішній диск забезпечує магнітні умови для викиду релятивістських струменів.
Чому джети чорних дір були загадкою
Астрофізичні джети надмасивних чорних дір — це потоки іонізованого газу, які простягаються на мільйони парсеків і рухаються з релятивістськими швидкостями. Вони можуть суттєво змінювати середовище в галактиці та навіть у скупченні галактик, впливаючи на газ і процеси зореутворення.
Такі джети з’являються лише тоді, коли чорна діра активно «живиться» навколишньою речовиною. Матеріал збирається в перегрітий акреційний диск, і частина цієї речовини замість падіння всередину викидається у вигляді джетів. За сучасними уявленнями, джети живляться енергією обертання чорної діри, яку витягують великомасштабні магнітні поля в диску — це так званий механізм Блендфорда–Знайєка (Blandford–Znajek).
Однак тут виникала проблема. Відомо про два типи акреційних дисків: гарячі, геометрично товсті, та холодні, геометрично тонкі. Спостереження показували, що потужні джети часто пов’язані з сильно акретуючими чорними дірами, де домінують саме холодні тонкі диски. А вони, за теорією, не здатні підтримувати достатньо потужні магнітні поля для запуску джетів. Виходила суперечність: джети є, а потрібних полів начебто немає.
Галактика 3C 120 як природна лабораторія
Щоб розібратися, команда під керівництвом Хірофумі Ноди (Hirofumi Noda) з Університету Тохоку та Кадзухіро Хади (Kazuhiro Hada) з Міського університету Нагої дослідила активну галактику 3C 120 на відстані близько 420 мільйонів світлових років. У її центрі міститься надмасивна чорна діра масою приблизно 6,3 × 107 мас Сонця, яка одночасно швидко акретує речовину та викидає потужний релятивістський джет.
3C 120 виявилася ідеальним об’єктом: на відміну від слабко акретуючих активних ядер, як-от M87, тут швидке «живлення» поєднується з сильним джетом. Це дає змогу перевірити, як саме пов’язані структура акреційного потоку та запуск струменів.
Дослідники використали одразу кілька передових інструментів: рентгенівську місію XRISM для спектроскопії, а також радіоінтерферометричні масиви GMVA, VLBA та східноазійську мережу EAVN для надвисокої кутової роздільної здатності в радіодіапазоні.
«Спостерігаючи одну й ту саму чорну діру за допомогою найсучасніших рентгенівських і радіотелескопів, ми змогли побачити і гарячу плазму навколо чорної діри, і джет, що з неї виходить», — пояснив Нода в пресрелізі. Це дозволило безпосередньо пов’язати умови поблизу горизонту подій із формуванням струменя.
Обрізаний диск і гаряче внутрішнє кільце
Ключ до розв’язання загадки дала рентгенівська спектроскопія. XRISM виявив у диску навколо 3C 120 емісійну лінію заліза. Через ефекти загальної теорії відносності ця лінія спотворюється: її форма залежить від того, наскільки близько до чорної діри випромінюється світло.
Аналіз показав, що холодний, геометрично тонкий диск не простягається аж до самого горизонту подій. Він обривається приблизно на відстані 20 гравітаційних радіусів (20 Rg). Усередині цієї межі диск змінюється на гарячий, геометрично товстий акреційний потік.
Отже, структура виявилася дворівневою: зовнішній холодний тонкий диск і внутрішній гарячий товстий диск. Саме цей внутрішній гарячий потік і може підтримувати великомасштабні магнітні поля, необхідні для роботи механізму Блендфорда–Знайєка та запуску джетів.
Автори роботи роблять висновок, що навіть за високих швидкостей акреції запуск струменів залишається пов’язаним із гарячим внутрішнім потоком. Геометричний перехід від тонкого до товстого диска створює «магнітно сприятливу» зону, де енергія обертання чорної діри може перетворюватися на енергію джета.
Універсальний зв’язок диска і джета
Ідея про те, що механізм Блендфорда–Знайєка є ключовим для формування джетів надмасивних чорних дір, спирається як на спостереження, так і на комп’ютерні моделі. Нова робота додає до цього ще одну важливу ланку — прямі свідчення структурної перебудови акреційного диска, яка робить можливим запуск струменя навіть у сильно акретуючих системах.
Дослідники наголошують, що поєднання високороздільної рентгенівської спектроскопії та VLBI-зображень у радіодіапазоні є особливо потужним інструментом для вивчення магнітогідродинаміки чорних дір. Тепер цей підхід планують застосувати до більшої вибірки об’єктів, щоб краще зрозуміти явище обрізання диска та перевірити, наскільки універсальним є такий «подвійний» сценарій.
Наступна мета команди — побудувати повнішу картину взаємодії речовини, магнітних полів і обертання чорної діри в цих екстремальних умовах. Краще розуміння цього процесу, за словами Ноди, допоможе також з’ясувати, як надмасивні чорні діри впливають на еволюцію галактик і великих структур Всесвіту.
Астрономи побачили подвійний диск, що живить джети чорної діри з’явилася спочатку на Цікавості.
