Зарождение джета возле черной дыры

NASA/CXC/M.Weiss

Международная команда исследователей, включающая ученых ФИАН, МФТИ и МГУ, с беспрецедентной точностью визуализировала образование струи плазмы в окрестности массивной черной дыры. Радиоизображение, сделанное с помощью комбинации телескопов в космосе и на Земле, позволило восстановить структуру струи с потрясающей детализацией на уровне всего лишь в пару сотен радиусов черной дыры. Астрономам впервые удалось достичь такого разрешения. Полученные данные заставляют астрофизиков пересмотреть устоявшиеся взгляды на формирование джетов. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

Рисунок 1. Коллаж схематически показывает наземно-космический интерферометр «Радиоастрон» (сигналы отдельных телескопов объединяются при помощи интерференции радиоволн) слева и восстановленное изображение струи в галактике «Персей А», изображенное в псевдоцвете. Размер в треть светового года показан справа желтой линией. Источник: Юрий Ковалев

Массивные черные дыры в центрах галактик превосходят массу Солнца в миллиарды раз. Уже давно известно, что некоторые из этих массивных черных дыр выбрасывают струи плазмы, которая течет со скоростью, близкой к скорости света. Такие струи плазмы, называемые джетами, формируются в окрестности черной дыры и могут выходить далеко за пределы родной галактики. Над вопросом о том, как формируются джеты, астрофизики бьются многие годы. Долгое время не было технической возможности увидеть структуру этих струй достаточно близко к месту их зарождения, что необходимо для прямого сравнения информации, полученной из наблюдений, с теоретическими моделями образования джетов. Полученные из наблюдений «РадиоАстрона» данные позволят проверить теоретические модели и зададут дальнейшее направление их развития.

По сей день учеными обсуждаются базовые гипотезы формирования выбросов плазмы в галактиках. Есть две конкурирующие идеи, которые были предложены еще на рубеже 70–80-х годов прошлого века.

Рисунок 2. Фантазия художника на тему «Центр активной галактики с аккреционным диском и яркой узкой симметричной струей». Источник: Вольфганг Штеффен, Институт астрономии Национального автономного университета Мексики

Одна — модель Блэнфорда — Знаека. В центре галактики находится сверхмассивная черная дыра массой в миллиарды масс Солнца. Она вращается, вокруг нее вращается аккреционный диск. Часть падающего на нее из аккреционного диска вещества, которая не засасывается черной дырой, выбрасывается наружу в виде струи. То есть узкий джет формируется благодаря крутящему моменту, получаемому от центральной сверхмассивной черной дыры.

С этим представлением многие годы конкурировала модель Блэнфорда — Пейна. В рамках этой модели считается, что формирование горячих выбросов плазмы возможно через крутящий момент, уносимый от аккреционного диска. То есть сама черная дыра не играет ключевой роли в формировании джета.

До последнего времени астрофизики, занимающиеся далекими галактиками, отдавали предпочтение модели Блэнфорда — Знаека: они склонялись к тому, что джеты в галактиках формируются центральной сверхмассивной черной дырой.

Международная команда исследователей из восьми стран с помощью космического телескопа «РадиоАстрон» получила изображения джета, зарождающегося в окрестности центральной черной дыры галактики «Персей A», с ультравысоким угловым разрешением. Астрономам удалось получить детальное изображение основания джета в 10 раз ближе к границе черной дыры, чем это было возможно с наземными инструментами. Впервые получилось выявить новые детали области формирования струи.

Полученные данные являются серьезным аргументом в пользу гипотезы о том, что джет может формироваться с участием аккреционного диска. Возможно, что вклад в этот процесс от аккреционного диска даже является основным.

«Мы публикуем первую карту „РадиоАстрона“ для объекта, находящегося так близко к нам. Из-за его близости реализуемое линейное разрешение составляет величину всего лишь 12 световых дней на расстоянии 70 мегапарсек, или 230 миллионов световых лет! Благодаря такому беспрецедентному разрешению „РадиоАстрона“ мы увидели, что джет сразу стартует широким и имеет цилиндрическую форму. Быть с самого начала широким он может только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск. Это первый результат, который указывает на важность вклада диска», — комментирует соавтор исследования, заведующий лабораторией в МФТИ и ФИАН, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев.

Рисунок 3. Радиоизображение джета в галактике «Персей А», полученное «РадиоАстроном». Источник: Юрий Ковалев и др., Nature Astronomy

Раньше, из-за ограничения параметров наземных телескопов, астрономы не имели такого высокого углового разрешения при наблюдении джетов, поэтому не могли измерить ширину джета в его основании. Из-за этого общепринятой точкой зрения являлось то, что джеты стартуют узкими, и, следовательно, они формируются центральной черной дырой.

Благодаря возможностям «РадиоАстрона» авторы работы обнаружили, что ширина джета в самом основании составляет порядка тысячи радиусов Шварцшильда (этот радиус определяет размер горизонта событий черной дыры). А ведь, согласно устоявшимся представлениям, размер джета у его основания должен быть как минимум на порядок меньше.

«Это может означать, что, по крайней мере, внешняя часть струи запускается с аккреционного диска, окружающего черную дыру. Наш результат еще не опровергает текущие гипотезы, в которых джеты запускаются из эргосферы — области пространства рядом с вращающейся черной дырой. Но, надеюсь, он даст теоретикам представление о структуре струи вблизи места запуска и подскажет, как модернизировать модели», — заключает доктор Туомас Саволайнен из Университета Аалто в Финляндии.

Для справки

В рамках международного проекта «РадиоАстрон» в 2011 году на околоземную орбиту был запущен космический радиотелескоп. Главный элемент аппарата — 10-метровое зеркало. При запуске оно было в сложенном состоянии, чтобы габариты не превышали 3,5 метра — диаметр ракеты. При выходе на расчетную орбиту 27 лепестков раскрылись и сформировали параболоид вращения размером 10 метров с точностью 1 миллиметр. Этот телескоп был построен Научно-производственным объединением им. Лавочкина. Головной научной организаций является Астрокосмический центр Физического института им. Лебедева РАН, руководитель проекта — академик РАН Николай Кардашёв.

Рисунок 4. Космический телескоп проекта «РадиоАстрон» готовится к запуску. Источник: Юрий Ковалев

«„РадиоАстрон“ реализует рекордное угловое разрешение до нескольких микросекунд дуги, эквивалентное радиотелескопу диаметром 350 000 км — почти расстояние между Землей и Луной. На Земле с нами работает до 40 крупнейших радиотелескопов по всему миру. Сигналы отдельных телескопов, синхронизированные с помощью атомных часов, объединяются вместе в интерферометре для получения изображения при помощи специализированной обработки данных», — рассказывает Юрий Ковалев.

Рисунок 5. Наземные радиотелескопы, участвовавшие в наблюдениях «РадиоАстрона». Источник: Пол Боуэн

Смотрите также: Максим Руссо Увидеть футбольный мяч за три миллиона километров Юрий Ковалев «РадиоАстрон» и тайны Вселенной Максим Руссо Самый большой измерительный инструмент в истории Астрофизик Юрий Ковалев рассказал о прорывных результатах РадиоАстрона