Астрономы обнаружили свидетельство задержки падения вещества в черную дыру

Международная научная группа впервые обнаружила процессы переноса магнитного поля в аккреционном потоке черной дыры и образования "MAD" - магнитно-задержанного диска в окрестностях черной дыры.

Об открытии рассказывается в пресс-релизе на сайте Американской ассоциации содействия развитию науки "EurekAlert!", передают OstanniPodii.com.

Исследователи сделали это во время многоволновых наблюдений события вспышки рентгеновской бинарной черной дыры MAXI J1820+070 с помощью первого китайского рентгеновского астрономического спутника Insight-HXMT, а также нескольких телескопов.

Ключевым моментом в открытии стало наблюдение того, что радиоизлучение от джета черной дыры и оптическое излучение из внешней области аккреционного потока отстают от жесткого рентгеновского излучения горячего газа во внутренней области аккреционного потока (то есть горячего аккреционного потока) примерно на 8 и 17 дней соответственно.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science 31 августа.

Процесс захвата газа черной дырой называется "аккрецией", а падение газа в черную дыру -- аккреционным потоком. Вследствие вязких процессов в аккреционном потоке происходит эффективное высвобождение гравитационной потенциальной энергии, часть которой превращается в многоволновое излучение. Это излучение можно наблюдать с помощью наземных и космических телескопов, что позволяет нам "увидеть" черную дыру.

Однако вокруг черной дыры существуют "невидимые" магнитные поля. По мере того как черная дыра аккрецирует газ, она также тянет магнитное поле внутрь. Согласно предыдущим теориям, поскольку аккрецирующий газ постоянно привносит слабые внешние магнитные поля, магнитное поле постепенно усиливается по направлению к внутренней области аккреционного потока.

Внешняя магнитная сила, действующая на аккреционный поток, растет и противодействует гравитационному притяжению черной дыры. Поэтому во внутренней области аккреционного потока вблизи черной дыры, когда магнитное поле достигает определенной силы, аккрецирующее вещество оказывается захваченным магнитным полем и не может свободно падать в черную дыру. Это явление известно как магнитно-задержанный диск (MAD).

Теория MAD была предложена много лет назад и успешно объясняет некоторые наблюдательные явления, связанные с аккрецией черных дыр. Однако прямых наблюдательных доказательств существования MAD не было, а образование MAD и механизмы магнитного переноса оставались загадками.

Помимо сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах практически всех галактик, во Вселенной существует еще множество черных дыр звездной массы. Астрономы обнаружили черные дыры звездной массы во многих бинарных звездных системах в Млечном Пути. Эти черные дыры обычно имеют массу, примерно в десять раз превышающую массу Солнца.

Большую часть времени эти черные дыры находятся в состоянии покоя, испуская крайне слабое электромагнитное излучение. Однако иногда они вступают в период вспышек, который может длиться несколько месяцев или даже лет, испуская яркое рентгеновское излучение. В результате такие бинарные звездные системы часто называют рентгеновскими бинарными черными дырами.

В этой работе исследователи провели многоволновой анализ данных о вспышке рентгеновского излучения бинарной черной дыры MAXI J1820+070. Они заметили, что в жестком рентгеновском излучении наблюдался пик, за которым через восемь дней последовал пик радиоизлучения. Такая большая задержка между радиоизлучением от джета и жестким рентгеновским излучением от горячего аккреционного потока является беспрецедентной.

Как отмечают исследователи, эти наблюдения указывают на то, что слабое магнитное поле во внешнем участке аккреционного диска переносится горячим газом во внутренний участок, и радиальная протяженность горячего аккреционного потока быстро расширяется по мере уменьшения скорости аккреции. Чем больше радиальная протяженность горячего аккреционного потока, тем сильнее растет магнитное поле. Это приводит к быстрому усилению магнитного поля вблизи черной дыры, в результате чего примерно через восемь дней после пика жесткого рентгеновского излучения образуется MAD.

"Наше исследование впервые раскрывает процесс переноса магнитного поля в аккреционном потоке и процесс формирования MAD в окрестности черной дыры. Это является прямым наблюдательным доказательством существования магнитно-задержанного диска", - сказал доцент Ю Бэй из Уханьского университета, первый автор исследования.

Кроме того, исследовательская группа наблюдала беспрецедентную задержку (около 17 дней) между оптическим излучением из внешней области аккреционного потока и жестким рентгеновским излучением из горячего аккреционного потока. Путем численного моделирования вспышки рентгеновской бинарной черной дыры было обнаружено, что по мере приближения вспышки к концу, облучение жесткими рентгеновскими лучами приводит к тому, что все большее количество аккреционного материала из далекой внешней области падает в сторону черной дыры из-за нестабильности. Это приводит к оптической вспышке во внешней области аккреционного потока, пик которой наступает примерно через 17 дней после пика жесткого рентгеновского излучения от горячего аккреционного потока.

"Благодаря универсальности физики аккреции черных дыр, в которой процессы аккреции для черных дыр разных массовых масштабов подчиняются одним и тем же физическим законам, данное исследование позволит углубить понимание научных вопросов, связанных с крупномасштабным формированием магнитного поля, энергией джета и механизмами ускорения для аккрецирующих черных дыр с различными массами", - сказал профессор Цао Синьву из Чжэцзянского университета, соавтор исследования.

Ожидается, что явления, аналогичные наблюдаемым в MAXI J1820+070, в ближайшем будущем будут наблюдаться также в других системах с аккрецирующими черными дырами, отметил соавтор исследования профессор Янь Чжэнь из Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук.