Вращение черных дыр отследили по джетам

Поток магнитного поля через джет можно рассчитать, измеряя его яркость или сдвиг ядра, если предположить, что джет направлен под небольшим углом к линии наблюдения. Ученая из МФТИ рассчитала поток для 48 источников джетов и сравнила его с критическим потоком, найденным в рамках модели «магнитно арестованного диска». Оказалось, что большинство объектов находятся в режиме, далеком от критического, то есть вращаются сравнительно медленно. Статья опубликована в Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

Астрономы довольно часто находят космические объекты, из центра которых вырываются мощные струи плазмы, направленные вдоль оси вращения объекта. Такие струи называются джетами. Например, источниками джетов могут служить квазары, активные галактики или радиогалактики. Предполагается, что образование джетов связано с формированием аккреционного диска вокруг вращающейся нейтронной звезды или черной дыры и определяется магнитным полем, возникающим в этом диске. Впрочем, пока астрофизики еще не понимают до конца механизмы подобных процессов. Подробнее про джеты можно прочитать в этой статье.

В частности, пока что непонятно, насколько велик поток магнитного поля около горизонта событий черной дыры, которая излучает джеты. Горизонт событий — это поверхность в пространстве-времени, после пересечения которой наблюдатель не может покинуть внутренности черной дыры. В каком-то смысле горизонт событий определяет размеры черной дыры, к тому же для не вращающейся дыры его радиус совпадает с гравитационным радиусом объекта. С одной стороны, величину магнитного поля около горизонта можно рассчитать в рамках одной из теоретических моделей, описывающих аккрецию вещества и образование джетов. С другой стороны, его можно найти по яркости джета или видимому смещению его начала в разных диапазонах наблюдений. Однако во всех этих случаях необходимо учитывать излучение, поэтому без каких-либо дополнительных теоретических соображений вычислить поток магнитного поля, пронизывающего джет, нельзя.

В новой статье физик Елена Нохрина рассмотрела джеты, направленные под небольшим углом к наблюдателю, и вычислила поток магнитного поля, а также связала его со скоростью вращения центральной черной дыры. Предположение о малости угла наблюдения возникло по следующей причине. Обычно вне джета (точнее, вне его излучающей части) магнитное поле является тороидальным, то есть его силовые линии как будто образуют тор, «бублик». Оно же вносит наибольший вклад в излучение джета, ускоряя образующие его частицы. Однако вклад в магнитный поток дает только полоидальное магнитное поле, направленное вдоль джета. Требование малости угла нужно для того, чтобы корректно связать астрономические наблюдения с величиной полоидального поля. Всего ученой удалось найти данные по 48 источникам, джеты которых отвечают сделанному приближению.

Итак, видимую яркость джета в рамках указанных приближений можно пересчитать в величину магнитного поля, а значит, определить полный поток, протекающий через джет Ψ_br. С другой стороны, большое магнитное поле должно приводить к так называемому сдвигу ядра (core shift) — смещению видимого начала джета ближе к горизонту событий при увеличении длины волны, на которой ведутся наблюдения. С помощью этого эффекта тоже можно оценить магнитное поле и найти полный поток Ψ_cs в рамках рассматриваемой модели. Елена Нохрина выполнила такие вычисления для всех 48 источников. Оказалось, что в целом значения Ψ_br и Ψ_cs сходятся, хотя в отдельных случаях и отличаются на несколько порядков.

Также физик оценила предельный поток, который может протекать через джет, в рамках модели «магнитно арестованного диска» (magnetically arrested disk, MAD). В рамках этой модели аккреционный диск находится в равновесии, а давление магнитного поля «заморожено». При этом суммарный поток через джет оказывается тем больше, чем быстрее вращается черная дыра, поскольку суммарный поток сохраняется (магнитных зарядов не существует). Оказалось, что бо́льшая часть рассмотренных источников (36 штук) находится в режиме, далеком от критического, то есть относительно медленно вращаются. С другой стороны, многие теоретические модели предполагают быстрое вращение черной дыры. Это позволяет предположить, что модель магнитно арестованного диска просто не работает для рассмотренных объектов.

Наконец, ученая вычислила, к каким энергетическим потерям приводит вращение черной дыры в рамках рассматриваемой модели, и сравнила их с наблюдаемой мощностью излучения джета. Оказалось, что эти величины связаны степенной зависимостью, причем экспериментальные данные в целом согласуются с теорией. Впрочем, корреляция здесь была выражена не очень ярко.

В конце октября прошлого года астрономам удалось определить местоположение джета, который выбрасывается из аккреционного диска вокруг черной дыры в двойной системе V404 Лебедя. Оказывается, что его оптическое начало «висит» примерно на расстоянии 1400 радиусов Шварцшильда от черной дыры, а рентгеновское — на расстоянии около пяти радиусов. Это открытие позволило прояснить механизмы образования джетов и ускорения плазмы.

Дмитрий Трунин