Поляризоване рентгенівське випромінювання розкриває форму та орієнтацію надгарячої матерії навколо чорної діри

Останні спостереження дослідників за чорною дірою із зоряною масою під назвою Cygnus X-1 розкривають нові подробиці про конфігурацію надзвичайно гарячої матерії в ділянці, що безпосередньо оточує чорну діру.

Про це розповідають у Вашингтонському університеті в Сант Луїсі, передають OstanniPodii.com.

Коли матерію притягує до чорної діри, вона нагрівається до мільйонів градусів та світиться в рентгенівських променях. Дослідники використовують вимірювання поляризації цих рентгенівських променів для перевірки й уточнення моделей, які описують, як чорні діри поглинають матерію та при цьому стають одними з найяскравіших джерел світла у Всесвіті, включно з рентгенівським випромінюванням.

Нові вимірювання Cygnus X-1, опубліковані 3 листопада в журналі Science (препринт), є першими спостереженнями за чорною дірою з акрецією маси, отриманими під час місії Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE) — міжнародного співробітництва НАСА та Італійського космічного агентства (ASI).

Cygnus X-1 — одне з найяскравіших рентгенівських джерел у нашій галактиці, що складається з чорної діри з масою 21 сонця, яка перебуває на орбіті зірки-компаньйона з масою 41 сонця.

“Попередні рентгенівські спостереження за чорними дірами вимірювали тільки напрямок, час приходу та енергію рентгенівських променів від гарячої плазми, яка спірально рухається до чорних дір”, - говорить провідний автор дослідження Хенрік Кравчинський, професор фізики факультету мистецтв і наук імені Веймана Кроу в Вашингтонському університеті та науковий співробітник університетського Центру космічних наук МакДоннелла. “На додачу, IXPE вимірює їхню лінійну поляризацію, яка несе інформацію про те, як рентгенівські промені були випущені — та якщо, також і де, вони розсіюються від матеріалу поблизу чорної діри”.

Ніяке світло, навіть світло рентгенівських променів, не може вийти зсередини горизонту подій чорної діри. Рентгенівські промені, виявлені за допомогою IXPE, випускаються гарячою матерією, або плазмою, в області діаметром 2 000 км, що оточує горизонт подій чорної діри діаметром 60 км.

Об'єднання даних IXPE з одночасними спостереженнями рентгенівських обсерваторій NICER та NuSTAR у травні та червні 2022 року дало змогу авторам визначити геометрію — тобто форму та розташування плазми.

Дослідники виявили, що плазма простягається перпендикулярно двосторонньому, олівцеподібному плазмовому потоку, або джету, зображеному в більш ранніх радіоспостереженнях. Збіг напрямку рентгенівської поляризації та джета переконливо підтверджує гіпотезу про те, що процеси в рентгенівській яскравій ділянці поблизу чорної діри відіграють вирішальну роль у запуску джета.

Спостереження відповідають моделям, які передбачають, що корона гарячої плазми або оточує з двох сторін диск матерії, яка рухається по спіралі до чорної діри, або замінює внутрішню частину цього диска. Нові поляризаційні дані виключають моделі, в яких корона чорної діри являє собою вузький плазмовий стовп або конус уздовж осі джета.

Вчені зазначили, що краще розуміння геометрії плазми навколо чорної діри може багато чого розповісти про внутрішній устрій чорних дір і про те, як вони накопичують масу.

“Ці нові відомості дадуть змогу поліпшити рентгенівські дослідження того, як гравітація викривляє простір і час поблизу чорних дір”, - сказав Кравчинський.

Що стосується конкретно чорної діри Cygnus X-1, то “спостереження IXPE показують, що акреційний потік видно більш на краю, ніж вважалося раніше”, - пояснив співавтор дослідження Міхал Довчак з Астрономічного інституту Чеської академії наук.

“Це може бути ознакою зміщення екваторіальної площини чорної діри та орбітальної площини бінара”, або парного дуету чорної діри та її зірки-компаньйона, пояснила співавторка роботи Олександра Веледіна з Університету Турку (Фінляндія). “Можливо, система набула цього зміщення, коли зірка-прабатько чорної діри вибухнула”.

“У місії IXPE використовують рентгенівські дзеркала, виготовлені в Центрі космічних польотів НАСА імені Маршалла, і прилади для фокальної площини, надані спільними зусиллями ASI, Національного інституту астрофізики (INAF) і Національного інституту ядерної фізики”, - сказав співавтор Фабіо Мулері з INAF-IAPS. “Крім Cygnus X-1, IXPE використовують для вивчення широкого спектра екстремальних рентгенівських джерел, включно з нейтронними зорями з акрецією, пульсарами та туманностями пульсарного вітру, залишками наднових, нашим галактичним центром та активними галактичними ядрами. Ми знайшли багато сюрпризів, і нам дуже весело”.

Друга стаття в тому ж випуску журналу Science була написана під керівництвом Роберто Таверни з Університету Падови та описує виявлення IXPE сильно поляризованих рентгенівських променів від магнетара 4U 0142+61.

“Ми дуже раді бути частиною цієї нової хвилі наукових відкриттів в астрофізиці”, - зазначив Кравчинський.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.