Изучение черной дыры GX 339-4 раскрывает сложную динамику рождения космических струй

Астрофизики под руководством Дизхана Ду из Чжэцзянского университета в Китае провели исследование черной дыры в двойной системе GX 339-4. Ученые обнаружили, что временная задержка между радиоизлучением и рентгеновскими лучами меняется в зависимости от фазы вспышки этого космического объекта. В начале вспышки радиоизлучение опережает рентгеновское примерно на три дня, а во время затухания, наоборот, отстает от него на восемь дней. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Черные дыры в двойных системах, подобные GX 339-4, не являются спокойными объектами. Они проходят через мощные вспышки, во время которых их яркость в разных диапазонах волн резко возрастает. Астрономы давно знают, что эти вспышки сопровождаются выбросами вещества в виде мощных струй — джетов, которые излучают в радиодиапазоне, и одновременным усилением рентгеновского излучения от падающего на дыру вещества.

Однако связь между этими процессами остается сложной для понимания. Китайские ученые решили внимательно изучить временные соотношения между этими событиями, используя данные наблюдений за одной из самых известных черных дыр в нашей Галактике.

Черная дыра в системе GX 339-4 это один из самых изученных и активных кандидатов в черные дыры звездной массы в нашей Галактике. Она расположена в созвездии Жертвенника на расстоянии, которое до сих пор точно не определено, но, по разным оценкам, составляет 10 ± 5 кпк (от 16 300 до 48 900 световых лет). Масса ее оценивается в диапазоне от 5,8 до примерно 12 масс Солнца, что делает ее однозначно черной дырой, так как превышает максимально возможную массу нейтронной звезды. Ее диаметр, определяемый размером горизонта событий, составляет всего около 30-60 километров — размер, сопоставимый с крупным городом.

Спутником этой черной дыры является звезда, масса которой не превышает солнечную. Они вращаются вокруг общего центра масс с очень коротким периодом — всего 1,7 дня, находясь на расстоянии около 16 миллионов километров друг от друга. Из-за такой близости мощная гравитация черной дыры буквально деформирует звезду-компаньона, придавая ей яйцеобразную форму.

Вещество перетекает с этой звезды на черную дыру, формируя яркий аккреционный диск. Этот процесс сопровождается впечатляющими явлениями: система регулярно, с интервалом в несколько лет, переживает мощные рентгеновские вспышки, а также является источником релятивистских струй (джетов), которые вырываются из окрестностей черной дыры на огромные расстояния. Именно активность и делает GX 339-4 идеальной «естественной лабораторией» для изучения физики аккреции и формирования джетов.

Для своего анализа исследователи взяли данные космического телескопа RXTE и наземного радиотелескопа ATCA за 2010-2011 годы. Они применили специальный статистический метод, который позволяет точно определить, какое событие произошло раньше, а какое позже, даже если данные получены в разное время.

Оказалось, что поведение системы сильно зависит от фазы вспышки. В самом начале, когда рентгеновское излучение только начинало нарастать, радиоджет уже был активен и даже достиг своего пика примерно на три дня раньше, чем рентгеновское излучение. Это говорит о том, что джет формируется очень быстро на ранних стадиях активизации черной дыры.

Совершенно иная картина наблюдалась на этапе затухания вспышки. Когда рентгеновское излучение уже начало падать, радиоизлучение джета, вопреки ожиданиям, продолжало расти и достигло максимума только через восемь дней. Это означает, что механизм, питающий джет, не просто следует за потоком вещества, падающего на черную дыру, а имеет свою собственную динамику замедления.

Ученые связывают эту задержку с тем, что область, где вещество падает на черную дыру, расширяется по мере снижения темпа аккреции. Такое расширение как бы «подпитывает» магнитное поле вблизи черной дыры, которое служит движущей силой для джета, и этот процесс происходит с задержкой.

Чтобы объяснить эти наблюдения, авторы построили теоретическую модель, связывающую темп падения вещества, размер внутренней области аккреционного диска и силу магнитного поля. Их расчеты показали, что наблюдаемые задержки действительно можно объяснить тем, как магнитное поле переносится с внешних частей диска к самой черной дыре и усиливается там.

В начале вспышки, когда аккреция растет, поле быстро нарастает, порождая мощный джет. А при затухании, поле продолжает усиливаться за счет расширения внутренней области диска, создавая эффект «запаздывающего» радиоизлучения.

В итоге исследование показало, что временная задержка между радио- и рентгеновским излучением черной дыры GX 339-4 не является постоянной, а зависит от стадии вспышки, и это объясняется сложной динамикой переноса и усиления магнитного поля вблизи черной дыры. Открытие помогает ученым лучше понять, как именно рождаются и эволюционируют мощные релятивистские струи, и почему поведение разных черных дыр может так сильно различаться, даже если они похожи по своей природе.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях