Чорні діри вважають об’єктами, з яких ніщо не може вирватися назовні. Але іноді вони демонструють майже протилежну поведінку: навколо них виникають вузькі потоки плазми — джети, які можуть простягатися на величезні відстані й рухатися зі швидкостями, близькими до швидкості світла.
Тепер астрономи отримали свідчення того, що для запуску таких космічних «струменів» може існувати універсальне правило. Причому воно, схоже, не залежить від маси чорної діри.
Дослідники припускають, що чорні діри різної маси можуть починати формувати потужні джети, коли швидкість надходження речовини — акреція — досягає приблизно однакового відносного рівня. Це може об’єднувати фізику чорних дір зоряної маси та надмасивних чорних дір, попри колосальну різницю в їхніх масштабах.
Що потрібно чорній дірі, щоб «увімкнути» джет?
Щоб зрозуміти результат дослідження, варто уявити чорну діру не як самотній темний об’єкт, а як частину надзвичайно гарячої та динамічної системи.
Коли газ або інша речовина наближається до чорної діри, вона починає обертатися навколо неї, формуючи акреційний диск. Тертя, стиснення та потужні гравітаційні ефекти нагрівають речовину до величезних температур. Енергія та магнітні поля цієї системи можуть спрямовувати частину плазми у вузькі потоки — джети, орієнтовані переважно вздовж осі обертання.
Але джет виникає не за будь-якої швидкості акреції. Саме це питання і зацікавило дослідників.
Зоря, яка підійшла надто близько
Міжнародна команда астрономів на чолі з Ендрю Маммері з Інституту перспективних досліджень і Адель Ґудвін з Міжнародного центру радіоастрономічних досліджень Університету Кертін досліджувала особливий тип космічних подій — припливне руйнування зорі.
Це відбувається, коли зоря наближається до надмасивної чорної діри настільки, що припливні сили долають її власну гравітацію. Зоря деформується й витягується, а зрештою її структура руйнується, і речовина розсіюється навколо чорної діри.
Частина матеріалу може сформувати гарячий акреційний диск, тоді як інша частина залишиться на орбітах навколо чорної діри або буде викинута назовні. Такі події дають астрономам змогу досліджувати, як чорна діра реагує на раптове надходження великої кількості речовини.
20 зруйнованих зір і одна цікава закономірність
Спочатку команда проаналізувала 20 подій припливного руйнування. Для детальнішого аналізу відібрали десять випадків, де спостережень було достатньо, щоб оцінити швидкість акреції та визначити, коли з’являлося радіовипромінювання, пов’язане з потоками речовини.
Для цього дослідники використали спостереження в різних діапазонах електромагнітного спектра — від оптичного та ультрафіолетового до рентгенівського й радіодіапазону. Це дозволило простежити за подіями не лише безпосередньо після руйнування зорі, а й протягом значно довшого часу.
І саме тут з’явилася цікава закономірність.
Джети можуть запускатися у дві різні фази
Аналіз вказав на два періоди, коли можуть формуватися джети.
Перший припадає на ранню фазу після руйнування зорі. У цей момент чорна діра отримує величезну кількість речовини, а швидкість акреції може бути надзвичайно високою.
Другий варіант набагато несподіваніший.
Джет може з’явитися через сотні або навіть тисячі днів після загибелі зорі — тоді, коли система вже давно перестала нагадувати початковий спалах.
Чому?
Тому що з часом кількість речовини, яка надходить до чорної діри, зменшується. Швидкість акреції поступово падає. І коли вона знижується приблизно до 2% від межі Еддінгтона, може виникнути умова, за якої чорна діра запускає джет.
Що таке межа Еддінгтона?
Це важливе поняття для розуміння результату.
Коли речовина падає на чорну діру, вона випромінює величезну кількість енергії. Це випромінювання створює тиск назовні, тоді як гравітація намагається втягнути речовину всередину.
Межа Еддінгтона — це приблизний рівень світності, за якого сила, з якою випромінювання діє на навколишню речовину, зрівноважує її гравітаційне притягання.
Якщо акреція наближається до цього рівня, випромінювання може суттєво протидіяти подальшому падінню речовини.
Дослідники звернули увагу на те, що джети можуть виникати тоді, коли акреція падає приблизно до 2% від еддінгтонівського рівня. Подібний поріг уже спостерігали у значно менших чорних дір у Чумацькому Шляху.
Маленькі й гігантські чорні діри можуть «працювати» за одним правилом
Чорна діра зоряної маси може мати масу приблизно в десять разів більшу за масу Сонця. Надмасивна чорна діра в центрі галактики може бути в мільйони або навіть мільярди разів масивнішою за Сонце.
Між ними — величезна різниця в масштабах.
Проте якщо подальші спостереження підтвердять, що джети в обох випадках запускаються за подібного відносного рівня акреції, це означатиме, що механізм може бути набагато універсальнішим, ніж вважалося.
Іншими словами, природа може використовувати один і той самий фізичний принцип для чорних дір, які відрізняються за масою в мільйони разів.
Космічний «двигун», який можна передбачити
Цей результат цікавий не лише з теоретичного погляду.
Це особливо важливо для радіоастрономії. Джети можуть залишати характерні радіосигнали, але їхня поява не обов’язково відбувається одразу після руйнування зорі.
Майбутні радіотелескопи, зокрема проєкт Square Kilometre Array (SKA), дадуть змогу спостерігати значно більшу кількість таких подій і перевірити, наскільки універсальним є запропонований поріг.
Чому це важливо
У цій історії є особливо красивий парадокс: чорна діра, з якої саме світло не може вирватися, може породжувати одні з найпотужніших потоків матерії у Всесвіті.
Джети не виходять безпосередньо з-під горизонту подій. Вони формуються в навколишньому середовищі чорної діри — в акреційному диску та його магнітному полі. Саме поведінка речовини й магнітних полів навколо чорної діри визначає, чи може цей космічний «двигун» запрацювати.
Тепер астрономи мають свідчення того, що для такого запуску може існувати спільний фізичний поріг. Якщо подальші спостереження це підтвердять, дослідження допоможе краще зрозуміти, як чорні діри — від невеликих зоряних до гігантських надмасивних — взаємодіють із навколишньою речовиною та впливають на космічне середовище. Джерело