Танцующие струи Лебедя X-1: новая загадка первой черной дыры

Спустя более 60 лет после первого обнаружения Лебедь X-1 — первая подтвержденная черная дыра — все еще полон сюрпризов. Исследователи наконец измерили энергетическую мощность «танцующих струй» этого гиганта, и, по словам экспертов, эти результаты помогут найти ответы на фундаментальные вопросы о поведении черных дыр.

Лебедь X-1 — это черная дыра звездной массы, которая примерно в 21 раз массивнее Солнца и находится примерно в 7000 световых лет от Земли в созвездии Лебедя. Она находится на двойной орбите с такой же массивной голубой звездой-сверхгигантом HDE 226868, которую она облетает каждые 5,6 дня на расстоянии 0,2 астрономической единицы (одна пятая расстояния от Земли до Солнца). Черная дыра постоянно отрывает внешние слои своего партнера, превращая их в сверхгорячее кольцо из вращающейся материи, называемое аккреционным диском, который ярко светится в рентгеновском диапазоне.

Астрономы впервые заметили ионизирующее свечение Лебедя X-1 в 1964 году, когда ученые еще не были до конца уверены, что черные дыры действительно существуют. С момента официального подтверждения в 1971 году Лебедь X-1 интенсивно изучается и до недавнего времени считался самой массивной и самой быстро вращающейся черной дырой звездной массы из всех известных. Хотя Лебедь X-1 не излучает видимого света, звезду-компаньона HDE 226868 можно разглядеть в приличный телескоп, что делает эту систему одной из немногих черных дыр, которые вы можете наблюдать самостоятельно.

Как и большинство других черных дыр, Лебедь X-1 выбрасывает два мощных луча энергии. Эти струи, состоящие из плазмы аккреционного диска, выбрасываются наружу невероятно мощным и быстро вращающимся магнитным полем черной дыры. Однако, несмотря на обнаружение десятков подобных струй и даже их фотографирование, исследователям долгое время не удавалось правильно измерить эти энергетические выбросы.

Лебедь X-1 постоянно крадет внешние слои своей звезды-компаньона HDE 226868. Звездные ветры от голубого сверхгиганта также заставляют энергетические струи черной дыры изгибаться в сторону от звезды. (Изображение предоставлено: Международный центр радиоастрономических исследований (ICRAR))

Но в новом исследовании, опубликованном 16 апреля в журнале Nature Astronomy, исследователи нашли способ измерить струи Лебедя X-1, отслеживая, как они «покачиваются», или «танцуют», из-за близости к HDE 226868. Команда обнаружила, что струи сияют с энергией, эквивалентной примерно 10 000 солнц, и выбрасываются наружу со скоростью около 540 миллионов км/ч — примерно половина скорости света.

«Танцующие струи»

Все активные звезды, включая HDE 226868, испускают звездные ветры, состоящие из заряженных частиц, ускоренных мощными магнитными полями (похоже на энергетические струи черных дыр). Эти невидимые порывы давления воздействуют на атмосферы планет и в конечном итоге сталкиваются с межзвездной средой.

В случае с Лебедем X-1 его энергетические струи постоянно подвергаются ударам сильных порывов излучения от HDE 226868, из-за чего струи изгибаются в сторону от голубого сверхгиганта. Поскольку два объекта вращаются вокруг общего центра масс, с нашей точки зрения струи, кажется, изгибаются взад и вперед, или покачиваются.

Струи Лебедя X-1, кажется, танцуют из стороны в сторону из-за того, как черная дыра вращается вокруг своей звезды-компаньона HDE 226868. (Изображение предоставлено: Международный центр радиоастрономических исследований (ICRAR))

Соавтор исследования Стив Прабху, радиоастроном из Оксфордского университета, описал это явление как «танцующие струи» из-за их постоянного колебательного движения, говорится в заявлении, направленном в Live Science. Исторически сложилось так, что было сложно точно измерить эти танцующие струи из-за их постоянного движения. Но исследователи объединили изображения, полученные с помощью радиотелескопов по всему миру, чтобы построить более точную картину формы струй, достигнув того, что ранее было невозможным.

Заполняя пробелы

Исследователи особенно довольны новыми выводами, поскольку они могут помочь заполнить пробелы в наших текущих знаниях о черных дырах.

«Ключевой вывод этого исследования заключается в том, что около 10% энергии, выделяемой при падении материи в черную дыру, уносится струями», — сказал Прабху в заявлении. «Это то, что ученые обычно предполагают в крупномасштабных смоделированных моделях Вселенной, но до сих пор это было трудно подтвердить наблюдениями».

На этой анимации показано, как двигались энергетические струи по отношению к черной дыре (центр оси) и ее звезде-компаньону (вращающейся в красном кольце), что позволило исследователям точно измерить ее энергетическую мощность. (Изображение предоставлено: Международный центр радиоастрономических исследований (ICRAR))

Хотя это всего лишь один набор струй, наше нынешнее понимание черных дыр, основанное на теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1915 года, предполагает, что все струи черных дыр, будь то звездной массы или сверхмассивные объекты, должны испускать аналогичный поток.

«Поскольку наши теории предполагают, что физика вокруг черных дыр очень похожа, мы теперь можем использовать это измерение, чтобы закрепить наше понимание [других] струй, независимо от того, исходят ли они от черных дыр массой 10 или 10 миллионов масс Солнца», — сказал в заявлении соавтор исследования Джеймс Миллер-Джонс, радиоастроном и эксперт по аккреции черных дыр из Университета Кертина в Австралии.

Лучшее понимание струй черных дыр также поможет ученым понять, как такие галактики, как Млечный Путь, развивались с течением времени, основываясь на том, как эти чудовищные потоки формируют окружающую среду. Например, струи могут как разогревать межгалактический газ, предотвращая образование новых звезд, так и, наоборот, сжимать облака газа, запуская звездообразование.

«Струи черных дыр обеспечивают важный источник обратной связи с окружающей средой и имеют решающее значение для понимания эволюции галактик», — добавил Миллер-Джонс. «Теперь, когда мы знаем точную “мощность танца” Лебедя X-1, мы сможем гораздо точнее моделировать процессы, происходившие во Вселенной миллиарды лет назад».