Черные дыры «качаются», выбрасывая вещество в виде ветров или струй

Сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД), расположенные в центре многих галактик (от карликовых до массивных), представляют собой настоящую силу природы. Со временем пыль и газ из их окружения падают на них, образуя аккреционный диск за горизонтом событий, который ускоряется почти до скорости света (то есть до релятивистской скорости). Это высвобождает огромное количество энергии, временно заставляя область ядра затмевать все звёзды в диске — то, что известно как активное галактическое ядро (АГЯ). Со временем это вещество медленно аккрецирует на поверхность чёрной дыры, также вызывая излучение во всём спектре.

Этот процесс также генерирует радиационное давление, или «ветры», которые воздействуют на ядро галактики и оказывают глубокое влияние на её эволюцию, подавляя звездообразование. В некоторых случаях сверхмассивные чёрные дыры могут образовывать струи горячего газа и пыли, которые испускаются с полюсов на релятивистских скоростях и наблюдаются на расстоянии миллионов световых лет. Согласно новым исследованиям международной группы астрономов, чёрные дыры не только поглощают материю, но и управляют ею. Их выводы показывают, что они могут либо выбрасывать её в космос в виде релятивистских струй, либо уносить мощными ветрами.

Исследование возглавил Цзуобин Чжан из Фуданьского центра астрономии и астрофизики в Шанхае и Оксфордского университета. К нему и его коллегам присоединились астрономы из INAF-Osservatorio Astronomico di Roma, Института астрономии имени Антона Паннекука, Парижской обсерватории LIRA, Гарвардского и Смитсоновского центров астрофизики (CfA), Лаборатории космических наук (SSL) и многих университетов по всему миру. Подробности их исследования изложены в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.

Одно из самых распространенных заблуждений о черных дырах заключается в том, что они просто поглощают материю. Однако, прежде чем материя пересечет горизонт событий (точку невозврата), материал сначала падает в аккреционный диск, большая часть которого выбрасывается в космос. Это происходит двумя способами: посредством упомянутых выше релятивистских струй, состоящих из сфокусированных потоков плазмы, питаемых магнитными полями и вращением черной дыры; и рентгеновских ветров, которые представляют собой более медленные и широкие потоки ионизированного газа, выдуваемые с поверхности аккреционного диска излучением и магнитным давлением.

Долгое время астрофизики размышляли о том, как формируются эти два различных потока вещества и связаны ли они между собой. Чтобы ответить на этот вопрос, команда сосредоточилась на 4U 1630-472, черной системе массой около десяти солнечных масс, которая регулярно подвергается вспышкам, аккрецируя вещество от звезды-компаньона. Используя данные рентгеновского телескопа NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) НАСА на борту Международной космической станции (МКС) и радиотелескопа MeerKAT в Южной Африке, исследователи наблюдали за черной дырой в течение трех лет.

Эти данные показали, что аккреционный диск чёрной дыры оставался неизменным с течением времени, поскольку она постоянно поглощала вещество от своего компаньона. В течение того же периода 4U 1630-472 никогда не демонстрировала признаков одновременного возникновения сильных ветров или струй. Полученные данные представляют собой первое чёткое наблюдательное доказательство того, что эти два явления на самом деле взаимоисключающие. По сути, сверхмассивные чёрные дыры «качаются» между струями и ветрами и никогда не проявляют оба явления одновременно. 

«Мы наблюдаем то, что можно описать как энергичное перетягивание каната внутри аккреционного потока черной дыры. Когда черная дыра испускает высокоскоростной плазменный поток, рентгеновский ветер затухает, а когда ветер снова усиливается, поток исчезает. Это говорит нам о чем-то фундаментальном в отношении того, как черные дыры регулируют свою энергетическую отдачу и взаимодействуют с окружающей средой», - сказал соавтор исследования Цзячэнь Цзян из Уорикского университета.

Такое «космическое колебание» предполагает наличие у черных дыр механизма саморегуляции, при котором ветры и струи конкурируют за одну и ту же энергию или вещество. Однако общий отток оставался относительно постоянным, поскольку оба потока уносили сопоставимые объемы массы и энергии.

«Наши наблюдения предоставляют убедительные доказательства того, что двойные системы черных дыр переключаются между мощными струями и энергичными ветрами, никогда не создавая и того, и другого одновременно, что подчеркивает сложное взаимодействие и конкуренцию между различными формами выбросов черных дыр», — добавил Чжан.

Это открытие ставит под сомнение многие предыдущие предположения о том, как происходит подпитка выбросов черных дыр. Например, результаты исследования показывают, что переключение между ветрами и джетами может зависеть от изменений в конфигурации магнитного поля аккреционного диска, а не только от изменений в количестве вещества, аккрецируемого черной дырой. В любом случае, баланс между ветрами и джетами имеет решающее значение для эволюции черных дыр, что, в свою очередь, влияет на скорость звездообразования вокруг них и на общую эволюцию их галактики-хозяина.

Короче говоря, чёрные дыры не просто поглощают материю, они упорядочивают и управляют ею таким образом, который выходит за рамки её запасов. Это поведение, подобное качели, открывает новые и важные перспективы в понимании того, как чёрные дыры ведут себя и формируют Вселенную.