Астрономы измерили характеристики «танцующих джетов» у первой из обнаруженных чёрных дыр

Астрономы точно измерили «танцующие» энергетические джеты первой подтверждённой чёрной дыры Cygnus X-1 спустя более 60 лет после её первоначального обнаружения.

Спустя более 60 лет после первого обнаружения Лебедь X-1 (Cygnus X-1, или Cyg X-1) — первая подтверждённая чёрная дыра — по-прежнему полна сюрпризов. Исследователи наконец измерили энергетическую мощность «танцующих джетов» этого гиганта, и, по мнению экспертов, полученные результаты могут помочь ответить на более широкие вопросы об экстремальном поведении чёрных дыр.

Лебедь X-1 — это чёрная дыра звёздной массы; она примерно в 21 раз массивнее Солнца и расположена на расстоянии около 7 000 световых лет от Земли в созвездии Лебедя. Она вращается в двойной системе вокруг массивной голубой сверхгигантской звезды, получившей название HDE 226868, совершая оборот за каждые 5,6 дня на расстоянии 0,2 астрономической единицы (это пятая часть расстояния от Земли до Солнца). Чёрная дыра постоянно срывает внешние слои своего компаньона, образуя сверхгорячее кольцо из вихревой материи, называемое аккреционным диском, которое ярко светится в рентгеновском диапазоне.

Астрономы впервые заметили ионизирующее свечение Лебедь X-1 в 1964 году, когда учёные ещё не были уверены в том, существуют ли чёрные дыры на самом деле. С момента официального подтверждения в 1971 году Лебедь X-1 активно изучалась и до недавнего времени считалась самой массивной и быстро вращающейся чёрной дырой звёздной массы из когда-либо наблюдавшихся. Хотя Лебедь X-1 не излучает видимого света, её звезду-компаньона HDE 226868 можно увидеть с помощью хорошего телескопа, что делает эту систему одной из немногих систем с чёрной дырой, которые можно наблюдать самостоятельно.

Как и большинство других чёрных дыр, Лебедь X-1 выбрасывает два мощных луча энергии. Эти джеты, состоящие из плазмы аккреционного диска, выбрасываются наружу под действием чрезвычайно мощного и быстро вращающегося магнитного поля чёрной дыры. Однако, несмотря на обнаружение десятков подобных джетов и даже их фотографирование, исследователи исторически испытывали трудности с точным измерением этих энергетических потоков.

Однако в новом исследовании, опубликованном 16 апреля в журнале Nature Astronomy, учёные нашли способ измерить джеты Лебедь X-1, отслеживая, как они колеблются, или «танцуют», из-за своей непосредственной близости к HDE 226868.

Команда обнаружила, что джеты светятся с энергией, эквивалентной примерно 10 000 Солнц, и что они выстреливаются наружу со скоростью около 540 миллионов км/ч — примерно половина скорости света.

«Танцующие джеты»

Все активные звёзды, включая HDE 226868, испускают звёздные ветры, состоящие из заряженных частиц, ускоренных мощными магнитными полями (подобно энергетическим джетам чёрных дыр). Известно, что эти невидимые порывы давят на атмосферы планет, а уходя наружу, в конечном итоге сталкиваются с межзвёздной средой.

В случае Лебедь X-1 его энергетические джеты постоянно подвергаются воздействию сильных порывов излучения от HDE 226868, что заставляет джеты отклоняться от голубого сверхгиганта. Поскольку эти два объекта вращаются вокруг общего центра масс, с нашей точки зрения джеты кажутся изгибающимися вперёд и назад, то есть колеблющимися.

Первый автор исследования Стив Прабу, радиоастроном из Оксфордского университета, описал это явление как «танцующие джеты» из-за их постоянного колебательного движения.

Исторически сложилось так, что из-за постоянного движения этих танцующих джетов было сложно их точно измерить. Но исследователи объединили изображения, полученные радиотелескопами по всему миру, чтобы составить более точную картину формы джетов, тем самым достигнув того, что раньше было невозможно.

Заполнение пробелов

Исследователи особенно довольны новыми открытиями, поскольку они могут помочь заполнить пробелы в наших нынешних знаниях о чёрных дырах.

«Ключевым открытием этого исследования является то, что около 10 процентов энергии, выделяемой при падении материи в чёрную дыру, уносится джетами», — сказал Прабу в заявлении. «Именно это учёные обычно предполагают в крупномасштабных имитационных моделях Вселенной, но до сих пор было трудно подтвердить это наблюдениями».

Хотя речь идёт лишь об одном наборе джетов, наши современные представления о чёрных дырах — основанные на теории общей относительности Альберта Эйнштейна 1915 года — позволяют предположить, что все чёрные дыры, звёздной массы или сверхмассивные, должны испускать аналогичные потоки.

«Поскольку наши теории предполагают, что физика вокруг чёрных дыр очень схожа, теперь мы можем использовать эти измерения для закрепления нашего понимания [других] джетов, независимо от того, происходят ли они из чёрных дыр, масса которых в 10 или 10 миллионов раз превышает массу Солнца», — заявил в заявлении соавтор исследования Джеймс Миллер-Джонс, радиоастроном и эксперт по аккреции чёрных дыр из Университета Кертина в Австралии.

Лучшее понимание джетов чёрных дыр также поможет учёным выяснить, как галактики, подобные Млечному Пути, эволюционировали с течением времени, исходя из того, как эти гигантские выбросы формируют своё окружение.

«Джеты чёрных дыр являются важным источником обратной связи с окружающей средой и имеют решающее значение для понимания эволюции галактик», — добавил Миллер-Джонс.