Международная команда ученых, включающая исследователей из ФИАН, МФТИ и МГУ им. М.В. Ломоносова получила беспрецедентно точное изображение процесса образования струи плазмы в окрестностях массивной черной дыры. Структура струи при этом была рассмотрена с разрешением, которого до сих пор астрономам не удавалось добиться. Новые данные означают, что теоретикам придется пересмотреть устоявшиеся взгляды на формирование джетов.
«Радиоастрон» — слева, структура релятивистской струи в галактике Персей А — справа
© Кирилл Соколовский/ МГУ
В центрах практически всех известных галактик есть черные дыры, масса которых от миллионов до многих миллиардов раз больше, чем у Солнца. Некоторые из этих массивных черных дыр выбрасывают так называемые релятивистские струи, название которых происходит от того, что составляющая их плазма движется со скоростью, близкой к скорости света. Такие струи плазмы, называемые также джетами, и могут тянуться на многие сотни тысяч световых лет. Как именно они формируются, почему у одних черных дыр джеты есть, а у других нет — вопрос, над которым многие годы бьются астрофизики и астрономы. Одной из основных сложностей при этом было отсутствие у ученых технической возможности наблюдать структуру этих струй достаточно близко к месту их зарождения. Без этого нельзя было сравнить реальную картину с той, что давали теоретические модели образования джетов.
Есть две конкурирующие идеи, которые были предложены уже почти треть века назад. Первая — модель Блэнфорда — Знаека. Черная дыра, насколько нам известно, всегда быстро вращается. Она не поглощает вещество напрямую — сперва ее гравитация формирует вокруг нее также вращающийся аккреционный диск, из которого она и забирает материю. Но в силу ее вращения часть вещества из диска не поглощается, а напротив, выбрасывается, набирая при этом большую скорость. По модели Блэнфорда — Знаека, та часть падающего на черную дыру (из аккреционного диска) вещества, которая ею не засасывается, выбрасывается наружу и формирует узкий джет. Он получает энергию от крутящего момента самой черной дыры, посредством гравитационного взаимодействия.
Вторая модель — Блэнфорда — Пейна, в ней джет выбрасывается не из непосредственных окрестностей черной дыры, а из аккреционного диска, который тоже вращается и тоже может разгонять выбрасываемое вещество за счет своего крутящего момента. Большинство астрономов предпочитали первую модель, Блэнфорда — Знаека, и считали, что джеты формируются самой центральной сверхмассивной черной дырой.
В рамках новой работы исследователи изучили окрестности сверхмассивной черной дыры в центре галактики Персей А. Российские астрономы комбинировали данные от 40 крупнейших наземных радиотелескопов по всему миру и российского космического радиотелескопа «Радиоастрон». Он находится в сотнях тысяч километров от Земли, что дает возможность добиться ультравысокого разрешения. Сигналы отдельных телескопов синхронизировались с помощью атомных часов. В итоге исследователям удалось получить детальное изображение основания джета в десять раз ближе к границе черной дыры, чем это было возможно ранее, — с использованием одних только наземных инструментов.
Структура джета, выявленная по радиоизлучению от его плазмы, говорит в пользу того, что аккреционный диск как минимум частично участвует в формировании джетов, а возможно, является основным их источником. Это значит, что до сих пор большинство астрономов в этом отношении ошибались, а модель Блэнфорда — Пейна ближе к реальности, чем модель Блэнфорда — Знаека.
Понять, что именно является источником джета, удалось за счет беспрецедентно высокого разрешения снимка, сделанного в радиодиапазоне, — оно составило 12 световых дней для дистанции в 230 миллионов световых лет. Такое разрешение позволило увидеть, что джет сразу, у самого своего основания стартует широким, цилиндрической формы потоком плазмы. Это нереально, если вещество джета выбрасывается от черной дыры — там просто недостаточно места для широкого основания джета, да и сильные гравитационные поля должны сильно искажать его форму. Согласно новым наблюдениям, ширина джета у самого основания равна тысячам радиусам горизонта событий черной дыры, и поэтому ею самой он порожден быть не может. Такая структура джета может быть только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск.
«РадиоАстрон» работает на орбите с 2011 года. Он оснащен десятиметровым зеркалом, настолько большим, что полностью развернуть его можно было только уже в космосе (ракет с достаточно крупным головным обтекателем пока просто нет). «РадиоАстрон» реализует рекордное угловое разрешение до нескольких микросекунд дуги, эквивалентное радиотелескопу диаметром 350 000 км — почти расстояние между Землей и Луной.
Статья опубликована в Nature Astronomy
Источник: chrdk.ru
