Астрономы впервые измерили мощность струй черной дыры в реальном времени: они оказались ярче 10 тысяч Солнц

Международная группа астрономов впервые смогла напрямую измерить мгновенную мощность релятивистских струй, выбрасываемых черной дырой. Результаты наблюдений показали, что энергия этих выбросов сопоставима с излучением примерно 10 тысяч Солнц, а скорость движения вещества достигает половины скорости света. Исследование стало одним из самых важных достижений последних лет в изучении поведения черных дыр и их влияния на окружающее пространство.

Работа посвящена системе Cygnus X-1 — одной из самых известных черных дыр в Млечном Пути. Именно этот объект в 1970-х годах стал первым серьезным кандидатом на роль черной дыры, а теперь снова оказался в центре внимания ученых.

Новые наблюдения позволили астрономам не только измерить мощность джетов, но и увидеть, как они взаимодействуют с веществом соседней звезды практически в реальном времени. Это дает редкую возможность проверить фундаментальные модели аккреции вещества и формирования релятивистских струй.

Что такое Cygnus X-1

Cygnus X-1 находится примерно в 7000 световых годах от Земли в созвездии Лебедя. Система состоит из черной дыры звездной массы и массивной голубой сверхгигантской звезды.

Черная дыра имеет массу около 21 солнечной массы, а ее компаньон значительно превосходит Солнце по размеру и светимости. Расстояние между объектами сравнительно небольшое — около 48 миллионов километров, что составляет примерно треть расстояния от Меркурия до Солнца.

Из-за близости черная дыра активно перетягивает вещество со звезды-компаньона. Материал образует вокруг нее аккреционный диск — раскаленную вращающуюся структуру из газа и плазмы.

Часть вещества падает за горизонт событий, но не все. Некоторое количество материи выбрасывается наружу в виде узких релятивистских струй — джетов.

Что такое джеты черных дыр

Джеты представляют собой потоки высокоэнергетической плазмы, выбрасываемые вдоль оси вращения черной дыры. Они могут растягиваться на огромные расстояния — от световых лет до размеров целых галактик.

Несмотря на десятилетия исследований, механизм их образования остается одной из крупнейших проблем современной астрофизики.

Сегодня основная модель предполагает, что джеты возникают благодаря взаимодействию:

• вращения черной дыры;
• магнитных полей;
• аккреционного диска;
• горячей плазмы вокруг горизонта событий.

Согласно механизму Блэндфорда — Знайека, энергия вращения черной дыры может извлекаться через магнитные поля и преобразовываться в мощные струи вещества.

Однако до сих пор астрономы не могли напрямую измерить мгновенную мощность таких выбросов.

Впервые удалось измерить мощность джетов в реальном времени

Главным достижением нового исследования стала возможность наблюдать поведение джетов практически непосредственно во время их формирования.

Для этого ученые использовали данные радиотелескопов Square Kilometre Array Observatory (SKAO). Наблюдения позволили проследить структуру струй и оценить количество энергии, переносимой выбрасываемым веществом.

Результаты оказались впечатляющими:

• мощность джетов сопоставима с излучением 10 тысяч Солнц;
• скорость потока достигает примерно 540 миллионов километров в час;
• это около половины скорости света.

Для сравнения: скорость света составляет около 1,08 миллиарда километров в час.

Черная дыра оказалась «неэффективным пожирателем»

Одним из важнейших выводов исследования стало то, что значительная часть энергии падающего вещества не исчезает внутри черной дыры.

Ученые выяснили, что примерно 10% энергии аккрецируемого материала уходит на формирование джетов.

Это подтверждает теоретические модели, существовавшие десятилетиями, но до сих пор не имевшие прямых наблюдательных доказательств.

Фактически черная дыра возвращает значительную часть поглощаемой энергии обратно в окружающее пространство.

Почему джеты «танцуют»

Наблюдения также показали необычное поведение струй. Джеты Cygnus X-1 не движутся строго по прямой линии, а демонстрируют своеобразное «танцующее» движение.

Причина связана со звездным ветром голубого сверхгиганта.

Массивная звезда постоянно выбрасывает огромные объемы вещества в окружающее пространство. Этот поток сталкивается с джетами и изменяет их направление.

В результате астрономы смогли увидеть сложное взаимодействие:

• релятивистской плазмы;
• магнитных полей;
• звездного ветра;
• аккреционного вещества.

Подобные процессы раньше было крайне трудно наблюдать напрямую.

Почему это важно для понимания галактик

Хотя Cygnus X-1 — сравнительно небольшая черная дыра звездной массы, исследование имеет огромное значение и для изучения сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.

Механизмы формирования джетов, вероятно, универсальны.

Сверхмассивные черные дыры способны выбрасывать струи длиной в сотни тысяч световых лет. Эти джеты оказывают колоссальное влияние на эволюцию галактик:

• нагревают межгалактический газ;
• подавляют образование новых звезд;
• перераспределяют вещество;
• влияют на рост галактик.

По сути, активность черных дыр помогает регулировать развитие целых галактических систем.

Черные дыры вовсе не «космические пылесосы»

Исследование также помогает разрушить популярный миф о черных дырах как о «всепоглощающих пылесосах».

На самом деле черные дыры часто являются мощнейшими источниками энергии во Вселенной.

Они не только поглощают вещество, но и:

• разгоняют частицы почти до скорости света;
• создают гигантские магнитные поля;
• испускают рентгеновское излучение;
• формируют релятивистские струи.

Именно благодаря этим процессам астрономы вообще могут обнаруживать многие черные дыры.

Магнитные поля играют ключевую роль

Современные исследования все сильнее указывают на важность магнитных полей в поведении черных дыр.

В 2024 году Event Horizon Telescope обнаружил упорядоченные магнитные структуры вокруг сверхмассивной черной дыры Sagittarius A* в центре Млечного Пути.

Новые наблюдения Cygnus X-1 подтверждают, что магнитные поля, вероятно, являются главным механизмом запуска джетов.

По мнению ученых, именно они:

• направляют плазму;
• стабилизируют струи;
• ускоряют частицы;
• позволяют джетам сохранять структуру на огромных расстояниях.

Черные дыры могут влиять на судьбу звезд

Cygnus X-1 показывает, насколько сильно черная дыра способна воздействовать на соседнюю звезду.

Черная дыра постепенно отбирает вещество у сверхгиганта, изменяя его эволюцию. В будущем система может пережить еще более драматические события:

• коллапс звезды;
• образование второй черной дыры;
• слияние объектов;
• всплеск гравитационных волн.

Подобные системы считаются потенциальными источниками гравитационных волн, которые сегодня фиксируют обсерватории LIGO и Virgo.

Почему измерение мощности джетов настолько сложно

Главная проблема заключается в том, что джеты чрезвычайно динамичны.

Их структура меняется очень быстро:

• меняется плотность плазмы;
• колеблется интенсивность излучения;
• возникают ударные волны;
• изменяется направление потоков.

Кроме того, большая часть процессов происходит рядом с горизонтом событий — областью, которую невозможно наблюдать напрямую.

Поэтому астрономам приходится анализировать косвенные признаки:

• радиоизлучение;
• рентгеновские всплески;
• движение плазмы;
• изменения спектра.

Новые методы наблюдений SKAO позволили значительно повысить точность измерений.

Следующее поколение телескопов изменит изучение черных дыр

Ученые считают, что подобные наблюдения станут значительно более точными после полного ввода в эксплуатацию телескопов нового поколения:

• Square Kilometre Array;
• Event Horizon Telescope нового поколения;
• космических рентгеновских обсерваторий.

Ожидается, что будущие инструменты помогут:

• измерять структуру джетов возле горизонта событий;
• отслеживать изменения магнитных полей;
• изучать вращение черных дыр;
• проверять общую теорию относительности в экстремальных условиях.

Черные дыры становятся все менее загадочными — и все более сложными

Еще несколько десятилетий назад черные дыры считались почти полностью теоретическими объектами. Сегодня астрономы:

• фотографируют их тени;
• регистрируют гравитационные волны;
• наблюдают столкновения;
• измеряют скорость вращения;
• отслеживают релятивистские струи.

Новое исследование Cygnus X-1 впервые позволило практически в реальном времени измерить мощность джетов черной дыры и показать, насколько эффективно такие объекты преобразуют падающее вещество в колоссальные выбросы энергии.

Для современной астрофизики это особенно важно, поскольку именно джеты считаются одним из главных механизмов, связывающих черные дыры с эволюцией звезд, галактик и всей крупномасштабной структуры Вселенной.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org