Разгадка космического парадокса: как быстрорастущие черные дыры запускают релятивистские джеты

Ученые из Японии выяснили, как быстрорастущие сверхмассивные черные дыры умудряются запускать мощные джеты: исследование группы Хирофуми Ноды и Казухиро Хады показало, что холодный диск вокруг черной дыры обрывается на расстоянии около 20 гравитационных радиусов, а его место занимает раскаленный поток плазмы, который и питает джет. Работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Черные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной, и чем пристальнее астрономы за ними наблюдают, тем больше парадоксов обнаруживают. Один из таких парадоксов долгое время не давал покоя специалистам: когда сверхмассивная черная дыра быстро поглощает окружающее вещество, она одновременно выбрасывает в космос узкие потоки плазмы, разогнанные почти до скорости света.

Логика подсказывала, что при быстром поглощении вокруг черной дыры должен формироваться холодный и плоский аккреционный диск, который, казалось бы, мешает рождению мощных струй. Однако природа упрямо демонстрировала обратное, и теперь международная команда астрофизиков во главе с Хирофуми Нодой из Университета Тохоку и Казухиро Хадой из Городского университета Нагои нашла убедительное объяснение этому противоречию.

Ключом к разгадке стало наблюдение за галактикой 3C 120 в созвездии Тельца — активной галактикой, в центре которой находится сверхмассивная черная дыра, жадно поглощающая материю и при этом выбрасывающая заметную релятивистскую струю. Исследователи применили редкую по своей скоординированности тактику: одновременно за одной и той же черной дырой следили рентгеновский телескоп XRISM и целая сеть радиотелескопов, включая Global Millimeter VLBI Array, Very Long Baseline Array и East Asian VLBI Network. Такой подход позволил увидеть картину целиком — и то, что творится в непосредственной близости от горизонта событий, и то, как выглядит джет на выходе.

Рентгеновский телескоп зафиксировал эмиссионную линию железа, идущую от аккреционного диска. Ее форма оказалась искажена эффектами общей теории относительности Эйнштейна, что дало ученым возможность измерить, насколько близко к черной дыре простирается диск.

Выяснилось, что холодный и относительно плоский диск заканчивается примерно на 20 радиусах черной дыры, а дальше начинается совсем иная зона — раскаленный поток плазмы с температурой в сотни миллионов градусов. Радионаблюдения, в свою очередь, позволили проследить сужающуюся струю до самого ее основания и показать, что она берет начало именно в этом горячем потоке, в непосредственной близости от черной дыры. Радиус основания струи оказался сравним с радиусом обрыва диска или даже меньше него.

Именно высокая температура внутренней области играет решающую роль: она помогает накапливать и удерживать крупномасштабные магнитные поля вокруг черной дыры. Согласно широко признанному механизму Блэндфорда-Знаека, эти поля способны отбирать часть вращательной энергии черной дыры и направлять ее в струю. Таким образом, наблюдения показали, что 3C 120 полностью удовлетворяет условиям, необходимым для работы этого механизма. Даже при высоком темпе поглощения вещества запуск джета оказывается связан с горячим внутренним потоком, а не с холодным диском, и это дает стройную разгадку давнего парадокса.

Авторы подчеркивают, что их работа открывает новый способ изучать непосредственное окружение сверхмассивных черных дыр. Команда уже готовит следующие скоординированные наблюдения, теперь на более массивной черной дыре, чтобы сравнить данные с теоретическими моделями и компьютерным моделированием. По словам Ноды, следующая цель — составить более полную картину того, как материя, магнитные поля и вращение черных дыр взаимодействуют в этих экстремальных условиях, а это, в свою очередь, поможет лучше понять, как сверхмассивные черные дыры влияют на эволюцию галактик и крупномасштабную структуру Вселенной.