Поляризованное рентгеновское излучение раскрывает форму и ориентацию сверхгорячей материи вокруг черной дыры

Последние наблюдения исследователей за черной дырой со звездной массой под названием Cygnus X-1 раскрывают новые подробности о конфигурации чрезвычайно горячей материи в области, непосредственно окружающей черную дыру.

Об этом рассказывают в Вашингтонском университете в Сант Луисе, передают OstanniPodii.com.

Когда материю притягивает к черной дыре, она нагревается до миллионов градусов и светится в рентгеновских лучах. Исследователи используют измерения поляризации этих рентгеновских лучей для проверки и уточнения моделей, которые описывают, как черные дыры поглощают материю и при этом становятся одними из самых ярких источников света во Вселенной, включая рентгеновское излучение.

Новые измерения Cygnus X-1, опубликованные 3 ноября в журнале Science (препринт), являются первыми наблюдениями за черной дырой с аккрецией массы, полученными во время миссии Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE) — международного сотрудничества НАСА и Итальянского космического агентства (ASI).

Cygnus X-1 — один из самых ярких рентгеновских источников в нашей галактике, состоящий из черной дыры с массой 21 солнца, которая находится на орбите звезды-компаньона с массой 41 солнца.

«Предыдущие рентгеновские наблюдения за черными дырами измеряли только направление, время прихода и энергию рентгеновских лучей от горячей плазмы, которая спирально движется к черным дырам», - говорит ведущий автор исследования Хенрик Кравчинский, профессор физики факультета искусств и наук имени Веймана Кроу в Вашингтонском университете и научный сотрудник университетского Центра космических наук МакДоннелла. «В дополнение, IXPE измеряет их линейную поляризацию, которая несет информацию о том, как рентгеновские лучи были выпущены — и если, также и где, они рассеиваются от материала вблизи черной дыры».

Никакой свет, даже свет рентгеновских лучей, не может выйти изнутри горизонта событий черной дыры. Рентгеновские лучи, обнаруженные с помощью IXPE, испускаются горячей материей, или плазмой, в области диаметром 2 000 км, окружающей горизонт событий черной дыры диаметром 60 км.

Объединение данных IXPE с одновременными наблюдениями рентгеновских обсерваторий NICER и NuSTAR в мае и июне 2022 года позволило авторам определить геометрию — то есть форму и расположение плазмы.

Исследователи обнаружили, что плазма простирается перпендикулярно двустороннему, карандашеобразному плазменному потоку, или джету, изображенному в более ранних радионаблюдениях. Совпадение направления рентгеновской поляризации и джета убедительно подтверждает гипотезу о том, что процессы в рентгеновской яркой области вблизи черной дыры играют решающую роль в запуске джета.

Наблюдения соответствуют моделям, которые предполагают, что корона горячей плазмы либо окружает с двух сторон диск материи, который движется по спирали к черной дыре, либо заменяет внутреннюю часть этого диска. Новые поляризационные данные исключают модели, в которых корона черной дыры представляет собой узкий плазменный столб или конус вдоль оси джета.

Ученые отметили, что лучшее понимание геометрии плазмы вокруг черной дыры может многое рассказать о внутреннем устройстве черных дыр и о том, как они накапливают массу.

«Эти новые сведения позволят улучшить рентгеновские исследования того, как гравитация искривляет пространство и время вблизи черных дыр», - сказал Кравчинский.

Что касается конкретно черной дыры Cygnus X-1, то «наблюдения IXPE показывают, что аккреционный поток виден более на краю, чем считалось ранее», - пояснил соавтор исследования Михал Довчак из Астрономического института Чешской академии наук.

«Это может быть признаком смещения экваториальной плоскости черной дыры и орбитальной плоскости бинара», или парного дуэта черной дыры и ее звезды-компаньона, пояснила соавтор работы Александра Веледина из Университета Турку (Финляндия). «Возможно, система приобрела это смещение, когда звезда-прародитель черной дыры взорвалась».

«В миссии IXPE используют рентгеновские зеркала, изготовленные в Центре космических полетов НАСА имени Маршалла, и приборы для фокальной плоскости, предоставленные совместными усилиями ASI, Национального института астрофизики (INAF) и Национального института ядерной физики», - сказал соавтор Фабио Мулери из INAF-IAPS. «Кроме Cygnus X-1, IXPE используют для изучения широкого спектра экстремальных рентгеновских источников, включая нейтронные звезды с аккрецией, пульсары и туманности пульсарного ветра, остатки сверхновых, наш галактический центр и активные галактические ядра. Мы нашли много сюрпризов, и нам очень весело».

Вторая статья в том же выпуске журнала Science была написана под руководством Роберто Таверны из Университета Падовы и описывает обнаружение IXPE сильно поляризованных рентгеновских лучей от магнетара 4U 0142+61.

«Мы очень рады быть частью этой новой волны научных открытий в астрофизике», - отметил Кравчинский.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.