Астрономи виявили свідчення затримки падіння речовини в чорну діру

Міжнародна наукова група уперше виявила процеси перенесення магнітного поля в акреційному потоці чорної діри та утворення "MAD" - магнітно-затриманого диска в околицях чорної діри.

Про відкриття розповідається в пресрелізі на сайті Американської асоціації сприяння розвитку науки "EurekAlert!", передають OstanniPodii.com.

Дослідники зробили це під час багатохвильових спостережень події спалаху рентгенівської бінарної чорної діри MAXI J1820+070 за допомогою першого китайського рентгенівського астрономічного супутника Insight-HXMT, а також кількох телескопів.

Ключовим моментом у відкритті стало спостереження того, що радіовипромінювання від джета чорної діри та оптичне випромінювання із зовнішньої області акреційного потоку відстають від жорсткого рентгенівського випромінювання гарячого газу у внутрішній області акреційного потоку (тобто гарячого акреційного потоку) приблизно на 8 і 17 днів відповідно.

Результати дослідження опубліковано в журналі Science 31 серпня.

Процес захоплення газу чорною дірою називається "акрецією", а падіння газу в чорну діру — акреційним потоком. Унаслідок в′язких процесів в акреційному потоці відбувається ефективне вивільнення гравітаційної потенційної енергії, частина якої перетворюється на багатохвильове випромінювання. Це випромінювання можна спостерігати за допомогою наземних і космічних телескопів, що дозволяє нам "побачити" чорну діру.

Однак навколо чорної діри існують "невидимі" магнітні поля. У міру того як чорна діра акреціює газ, вона також тягне магнітне поле всередину. Згідно з попередніми теоріями, оскільки газ, що акреціює, постійно привносить слабкі зовнішні магнітні поля, магнітне поле поступово посилюється у напрямку до внутрішньої області акреційного потоку.

Зовнішня магнітна сила, що діє на акреційний потік, зростає та протидіє гравітаційному тяжінню чорної діри. Тому у внутрішній ділянці акреційного потоку поблизу чорної діри, коли магнітне поле досягає певної сили, речовина, що акреціює, виявляється захопленою магнітним полем і не може вільно падати в чорну діру. Це явище відоме як магнітно-затриманий диск (MAD).

Теорія MAD була запропонована багато років тому й успішно пояснює деякі спостережні явища, пов′язані з акрецією чорних дір. Однак прямих спостережних доказів існування MAD не було, а утворення MAD і механізми магнітного перенесення залишалися загадками.

Крім надмасивних чорних дір, що знаходяться в центрах практично всіх галактик, у Всесвіті існує ще безліч чорних дір зоряної маси. Астрономи виявили чорні діри зоряної маси в багатьох бінарних зоряних системах у Чумацькому Шляху. Ці чорні діри зазвичай мають масу, що приблизно вдесятеро перевищує масу Сонця.

Більшу частину часу ці чорні діри перебувають у стані спокою, випускаючи вкрай слабке електромагнітне випромінювання. Однак іноді вони вступають у період спалахів, який може тривати кілька місяців або навіть років, випускаючи яскраве рентгенівське випромінювання. У результаті такі бінарні зоряні системи часто називають рентгенівськими бінарними чорними дірами.

У цій роботі дослідники провели багатохвильовий аналіз даних про спалах рентгенівського випромінювання бінарної чорної діри MAXI J1820+070. Вони помітили, що у жорсткому рентгенівському випромінюванні спостерігався пік, за яким через вісім днів пішов пік радіовипромінювання. Така велика затримка між радіовипромінюванням від джета й жорстким рентгенівським випромінюванням від гарячого акреційного потоку є безпрецедентною.

Як зазначають дослідники, ці спостереження вказують на те, що слабке магнітне поле в зовнішній ділянці акреційного диска переноситься гарячим газом у внутрішню ділянку, і радіальна протяжність гарячого акреційного потоку швидко розширюється в міру зменшення швидкості акреції. Чим більша радіальна протяжність гарячого акреційного потоку, тим сильніше зростає магнітне поле. Це призводить до швидкого посилення магнітного поля поблизу чорної діри, внаслідок чого приблизно через вісім днів після піку жорсткого рентгенівського випромінювання утворюється MAD.

“Наше дослідження вперше розкриває процес перенесення магнітного поля в акреційному потоці та процес формування MAD в околиці чорної діри. Це є прямим наглядовим доказом існування магнітно-затриманого диска”, - сказав доцент Ю Бей з Уханьського університету, перший автор дослідження.

Крім того, дослідницька група спостерігала безпрецедентну затримку (близько 17 днів) між оптичним випромінюванням із зовнішньої області акреційного потоку й жорстким рентгенівським випромінюванням з гарячого акреційного потоку. Шляхом чисельного моделювання спалаху рентгенівської бінарної чорної діри було виявлено, що в міру наближення спалаху до кінця, опромінення жорсткими рентгенівськими променями призводить до того, що дедалі більша кількість акреційного матеріалу з далекої зовнішньої області падає в бік чорної діри через нестабільність. Це призводить до оптичного спалаху в зовнішній області акреційного потоку, пік якого настає приблизно через 17 днів після піку жорсткого рентгенівського випромінювання від гарячого акреційного потоку.

“Завдяки універсальності фізики акреції чорних дір, в якій процеси акреції для чорних дір різних масових масштабів підкоряються одним і тим самим фізичним законам, дане дослідження дасть змогу поглибити розуміння наукових питань, пов′язаних з великомасштабним формуванням магнітного поля, енергією джета й механізмами прискорення для чорних дір, що акреціюють, з різними масами", - сказав професор Цао Сіньву з Чжецзянського університету, співавтор дослідження.

Очікується, що явища, аналогічні спостережуваним у MAXI J1820+070, у найближчому майбутньому спостерігатимуться також в інших системах з чорними дірами, що акреціюють, зазначив співавтор дослідження професор Янь Чжень із Шанхайської астрономічної обсерваторії Китайської академії наук.