Астрономы заглянули в «колыбель» джета вблизи черной дыры

Международная группа астрономов смогла определить местоположение начала релятивистской струи плазмы (джета), выбрасываемой из аккреционного диска вокруг черной дыры в двойной системе V404 Лебедя. Это позволяет понять механизмы образования подобных выбросов и ускорения плазмы в них. Научная работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

Двойная звездная система V404 Лебедя является микроквазаром и находится на расстоянии 8000 световых лет от Земли в созвездии Лебедя. Она состоит из двух компонентов — черной дыры с массой в 12 Солнц и оранжевого карлика с массой 0,5 Солнца, которые вращаются вокруг общего центра масс с периодом в 6,4 дней. Из-за малого расстояния между объектами в системе вещество с нормальной звезды перетекает на черную дыру, вызывая периодические вспышки, видимые в рентгеновском и гамма-диапазонах. Они наблюдались в 1938, 1956, 1989 и 2015 годах, в последнем случае удалось пронаблюдать возросшую активность черной дыры одновременно с нескольких наземных и космических обсерваторий в разных электромагнитных диапазонах.

При перетекании вещества со звезды к черной дыре вокруг последней образуется аккреционный диск. Внутренние слои вещества постепенно тормозятся о внешние за счет трения, переходят на все более близкие к черной дыре орбиты и в конце концов поглощаются черной дырой. Помимо диска при аккреции вещества могут образовываться джеты — потоки частиц, движущихся с субсветовыми скоростями, расположенные перпендикулярно плоскости диска. Есть две основные теории образования таких потоков, связанных с вращающейся черной дырой. Согласно первой (механизм Блендфорда-Знаека) в образовании джета могут участвовать магнитные поля, согласно второй (механизм Пенроуза) частицы, влетающие в эргосферу, распадаются там на две части, одна из которых выбрасывается прочь, унося с собой большое количество энергии. Кроме того, джет может сформироваться при магнитогидродинамическом истечении вещества из внутренних частей аккреционного диска. Однако до сих пор механизмы образования релятивистских струй и процессы ускорения частиц в них остаются до конца неизученными.

Чтобы понять, какие процессы работают в зоне ускорения и коллимации потока частиц, необходимо понимать ее размер, а для это нужно выделить излучение от этой области из общего потока. Это удалось сделать в случае серии вспышек, произошедшей в системе V404 Лебедя в июне 2015 года. Наблюдения велись при помощи гамма-телескопов INTEGRAL и Swift, рентгеновского телескопа NuSTAR, радиоинтерферометра AMI (Arcminute Microkelvin Imager) и камеры ULTRACAM оптического 4.2-метрового телескопа WHT (William Herschel Telescope). 

Анализ полученных данных показал, что изменения потока оптического излучения от системы задерживаются относительно потока рентгеновского излучения примерно на 0,1 секунды, при этом одновременно с квантами видимого света регистрируется возрастающий поток излучения в радиодиапазоне. Если учесть, что рентгеновское излучение исходит из горячего аккреционного диска, а джет наблюдается в оптическом и радиодиапазонах (излучение от джета имеет синхротронную природу), то по времени задержки можно оценить размер области, в которой происходит ускорение плазменного потока. В случае V404 оптическое «начало» джета «висит» на расстоянии 1,4×10³ радиусов Шварцшильда над черной дырой, а рентгеновское излучение идет из области вблизи черной дыры, ограниченной 5 радиусами Шварцшильда.

Предполагается, что временная задержка соответствует времени прохождения потоком частиц ускоряющей области, в которой может существовать плазма, состоящая из электронов и позитронов. Пары из этих частиц будут непрерывно рождаться и аннигилировать, давая наблюдаемую линию гамма-излучения с энергией 511 кэВ. Более того, данные наблюдений могут говорить о том, что в этой области могут происходить процессы аннигиляции экзотических атомов позитрония.

Ранее мы рассказывали о том, каким образом сверхмассивная черная дыра Млечного Пути указала на релятивистские эффекты у звезд и как проект «Радиоастрон» получил рекордно четкое изображение релятивистского джета блазара. Про открытие черных дыр на «кончике пера» читайте в нашем специальном материале.

Александр Войтюк