Качающийся джет черной дыры указал на вращение пространства-времени

Астрономы описали необычную динамику в двойной системе черной дыры и обычной звезды V404 Лебедя, в которой направление струи выбросов компактного объекта меняется на масштабе минут. Столь быстрая эволюция связана с действием релятивистского эффекта увлечения систем отсчета и заметным углом между спином черной дыры и перпендикуляром к диску из падающего вещества, пишут авторы в журнале Nature.

Одним из видов переменных небесных объектов являются рентгеновские двойные — системы из двух тел с высокой светимостью в рентгеновском диапазоне. Высокоэнергетическое излучение такого объекта возникает в разогретом до высоких температур аккреционном диске, который формируется из вещества обычной звезды, перетекающего на компактный второй компонент (это может быть черная дыра или нейтронная звезда).

В некоторых случаях в таких системах наблюдается формирование джетов — узких струй вещества, которые почти со скоростью света движутся от полюсов вращения черных дыр. Направление джетов не меняется или меняется медленно, однако в работе под руководством Джеймса Миллера-Джонса (James Miller-Jones) из Международного центра радиоастрономических исследований описывается случай исключительно быстрой переменности направления джета в системе V404 Лебедя, расположенной на расстоянии 2,4 килопарсека.

Данные, полученные авторами при помощи радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (которая позволила получить первое в истории изображение тени черной дыры), позволили детально исследовать динамику системы во время двух вспышек в 2015 году, длившихся около недели. Во время первого сеанса наблюдений, когда ученые работали с длинной экспозицией в 4 часа, была получена лишь размытая картинка. Авторам пришлось изменить подход и накапливать данные в течение всего 70 секунд, что позволило запечатлеть изменения и смоделировать анимацию джета.

Объяснить наблюдаемое поведение ученые предложили эффектом Лензе—Тирринга, также называемым увлечением систем отсчета. Этот феномен возможен в случае вращающихся массивных тел, которые могут увлекать само пространство-время своим вращением, из-за чего все объекты вокруг также вынуждены двигаться по кругу в ту же сторону.

В данном случае ось вращения черной дыры не совпадает с вращением тонкого и плоского аккреционного диска, из-за чего в его центре формируется наклоненная часть, похожая на пончик. Она «распухает» от большого нагрева и давления излучения, но по размеру достаточно мала: несколько тысяч километров против 10 миллионов километров всего диска. Так как джет формируется в непосредственной близи от черной дыры, то наклоненная внутренняя часть перенаправляет его в разные стороны.

Авторы не смогли предложить иного объяснения прецессии джета в данном случае, однако отмечают, что при исследовании активных ядер галактик с намного более массивными черными дырами также фиксируются указания на наличие изменения направления струй. В других работах астрофизики пытались объяснить это присутствием двойных сверхмассивных черных дыр в центрах некоторых галактик, но новое исследование показывает, что это может быть не единственным возможным объяснением.

Одной из основных нерешенных проблем астрофизики черных дыр является вопрос о возникновении джетов. Недавно российский спутник «Радиоастрон»

 структуру джета вблизи сверхмассивной черной дыры, формирование джета

и у V404 Лебедя, теоретики

способ оценить вращение черных дыр на основе исследований джетов.

Тимур Кешелава