Физики впервые измерили мощность струй черных дыр: она в 10000 раз мощнее Солнца

Фото из открытых источников

Анализ 18-летних наблюдений позволил исследователям впервые измерить мощность струй черной дыры. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Используя сеть связанных между собой радиотелескопов, охватывающую весь земной шар для достижения максимального разрешения, команда наблюдала, как струи, испускаемые черной дырой Cygnus X-1, искажаются под воздействием массивной близлежащей звезды, и подтвердила, что эти струи высвобождают 10 процентов энергии от массы, падающей в черную дыру. 

Лебедь X-1 известен как первый объект, который был широко признан черной дырой, и он находится относительно близко к нашей Солнечной системе, на расстоянии 7000 световых лет. Хотя интересно узнать, что происходит с таким явлением так близко к нам, авторы этого исследования считают, что его истинное значение заключается в том, что он говорит о сверхмассивных черных дырах, в миллионы раз превышающих его по размерам.

Известно, что чёрные дыры обладают настолько мощными гравитационными полями, что даже свет не может их покинуть. Однако они также могут быть одними из самых ярких объектов во Вселенной, как за счёт излучения от аккреционных дисков, так и за счёт мощных струй, вызванных магнитным выбросом материи. Хотя астрономы наблюдали и то, и другое, до сих пор существует значительная неопределённость относительно мощности этих струй по отношению к источнику энергии, который их питает.

Теперь астрономы воспользовались практически уникальной возможностью в виде системы Cygnus X-1, состоящей из черной дыры, в 21 раз превышающей массу Солнца, вокруг которой вращается звезда типа O массой 41 солнечная масса, чтобы измерить эту мощность. Они находятся на тесной орбите, и звезда производит невероятно мощный звездный ветер.

Джеймс Миллер-Джонс из отделения Международного центра радиоастрономии в Кертине отметил: «Если струя очень мощная, она не почувствует ветра». Менее мощная струя, однако, будет деформирована силой ветра.

Однако есть одна сложность, поскольку, по мнению Миллера-Джонса, большинство струй звездной массы то появляются, то исчезают со временем, лишая нас обширной базы данных для измерения искривления. Звезда Cygnus X-1 подходит для этой работы не только потому, что содержит звезду с таким мощным звездным ветром, но и потому, что черная дыра непрерывно «питалась» на протяжении десятилетий. Кроме того, она находится достаточно близко, чтобы мы могли точно определить форму струй.

Используя изображения, полученные Европейской сетью VLBI с помощью метода интерферометрии со сверхдлинными базами (VLBI) — аналогичного метода, использованного для получения изображений M87*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути, — Миллер-Джонс и его коллеги обнаружили, что звездный ветер звезды типа O вызвал изгиб угла струй черной дыры на 5,2 градуса.

Все это имело бы небольшую ценность, если бы сила ветра была неизвестна, но Миллер-Джонс сказал: «Из оптических исследований мы знаем, сколько массы теряется каждую секунду под воздействием ветра и какова скорость ветра, поэтому мы знаем величину импульса, а следовательно, и силу, действующую на струю».

На основании этого Миллер-Джонс и его соавторы пришли к выводу, что струя испускает около 2*10³⁷ эрг в секунду, или почти в 10 000 раз больше энергии Солнца. Для большинства из нас эта цифра в первую очередь искажает наше сознание, возможно, даже сильнее, чем деформация струи Cygnus X-1. Однако команду больше интересовало соотношение между мощностью струи и энергией, которая её приводит в движение. 

«Ключевой вывод этого исследования заключается в том, что около 10 процентов энергии, выделяемой при падении материи к черной дыре, уносится струями», — заявил Стив Прабу из Оксфордского университета. 

«Нам всегда хотелось бы иметь больший размер выборки, — сказал Миллер-Джонс, — но мы считаем, что это вполне типично». Что наиболее важно, Миллер-Джонс и его коллеги считают, что это соотношение масштабно-инвариантно. То есть, хотя струи, создаваемые сверхмассивными черными дырами (СМЧД) в центре галактик, значительно мощнее, предполагается, что они сохраняют аналогичную зависимость между притоком и оттоком энергии.

Как отметил Миллер-Джонс, это очень важно, потому что «струи сверхмассивных черных дыр — самые мощные объекты во Вселенной. Энергия, высвобождаемая материей, падающей на сверхмассивные черные дыры, оказывает существенное влияние на эволюцию самой галактики и всей Вселенной».

Ранее астрономы уже получали оценки мощности этих струй, весьма схожие с этой, но с низкой степенью достоверности. Миллер-Джонс объяснила, что эти оценки были получены путем измерения размеров пузырей, обычно достигающих световых лет в поперечнике, которые струи раздувают в межзвездном пространстве.

Однако пузырьки показывают лишь среднюю мощность струи за длительные периоды времени. Без знания скорости подачи пузырьков за этот период времени они не позволяют установить надежную связь между скоростью подачи и мощностью струи. Данное измерение меняет это положение вещей.