Science: Астрономы впервые увидели, как магнитное поле может выталкивать вещество, обреченное упасть в черную дыру

Журнал Science опубликовал статью международной коллаборации ученых из Китайской академии наук и других институтов, в которой приводятся результаты первого прямого наблюдения перехода аккреционного диска черной дыры в режим магнитодоминирующего аккреционного диска (magnetically arrested disk, сокращенно MAD).

Черная дыра сама по себе не может излучать, однако на нее падает вещество. Особенно активно это происходит в двойных системах, одним из компонентов которых является черная дыра, а другим — нормальная звезда. Падающее вещество начинает вращаться вокруг черной дыры, образуется так называемый аккреционный диск, вещество в котором разогревается за счет вязкого трения до миллиардов градусов. Разогрев приводит к тому, что падающий на черную дыру газ ионизируется, то есть из нейтральных молекул и атомов превращается в плазму — газ из заряженных частиц, электронов и протонов. Плазма взаимодействует с магнитным полем. Из этого, в частности, следует, что силовые линии магнитного поля «вмораживаются» в плазму: то есть при сжатии плазмы магнитные линии поля сжимаются вместе с ней, приводя к усилению магнитного поля.

Наблюдение основано на изучении последовательности вспышек черной дыры в разных диапазонах. Астрономы, используя данные китайского спутника Insight-HXMT, ведущего наблюдения в рентгеновском диапазоне, и данные наземных телескопов, увидели, что двойная звезда MAXI J1820+070, одним из компонентов которой является черная дыра, сначала выдала вспышку жесткого рентгеновского излучения, через 8 дней — вспышку в радиодиапазоне, а через 17 дней после рентгеновской вспышки стала ярче в оптическом диапазоне. Совокупность этих данных позволила ученым сделать вывод, что они только что наблюдали, как аккреционный диск черной дыры перешел в MAD-режим.

В зависимости от того, насколько сильное магнитное поле образовалось в аккреционном диске, он может существовать в разных режимах, которые ученые не без юмора назвали «нормальным» (SANE, от англ. Standard and normal evolution — стандартная и нормальная эволюция) и «сумасшедшим» (MAD, от англ. magnetically arrested disk — магнитодоминирующий диск). В «нормальном» режиме магнитное поле слабое, выделение энергии происходит в основном за счет процессов вязкого трения в турбулентной плазме. В «сумасшедшем» режиме магнитодоминирующего диска магнитное поле на краю аккреционного диска вблизи черной дыры может усилиться до такой степени, что сила, действующая на заряженные частицы со стороны поля, направленная вовне дыры, будет препятствовать их падению на черную дыру. Это теоретически может замедлить или даже остановить аккрецию.

Разные режимы динамики аккреционного диска черной дыры были предсказаны давно, но наблюдать проявления магнитодоминирующего диска напрямую до сих пор получалось интерферометрическими методами только у сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87. У более близких дыр — в нашей Галактике — MAD-режим напрямую никто не наблюдал; тем более никто не видел, как черная дыра переходит в такой режим.

Черные дыры в нашей галактике — обычно спокойные объекты. Однако некоторые из них периодически загораются яркими вспышками в рентгеновском диапазоне; такие вспышки могут длиться от нескольких месяцев до нескольких лет. Авторы статьи в Science как раз и изучали одну из таких вспышек в различных диапазонах. Сравнение их наблюдений с теоретическим моделированием показало, что наблюдавшиеся задержки между рентгеновским сигналом и радиосигналами как раз соответствуют модели формирования магнитодоминирующего диска.

Модель можно описать приблизительно следующим образом. На внешнем краю аккреционного диска скапливается еще холодное вещество. При его ионизации в диске происходит нестабильность, и оно «проваливается» во внутреннюю область диска. При этом диск приобретает утолщение — корону. В короне происходит вспышка рентгеновского излучения.

Далее сжимающаяся плазма из внешней области диска увлекает за собой магнитное поле. Это приводит к усилению магнитного поля во внутренней области диска и росту короны. Формируется магнитодоминирующий режим, который влечет остановку аккреции. Для этого требуется время. Рентгеновский сигнал ослабевает, происходит выброс ионизированного вещества вдоль оси вращения черной дыры — джет, а затем — вспышка радиоизлучения. Интервал между рентгеновской вспышкой и радиосигналом, свидетельствующий о формировании MAD-режима, и фиксируют астрономы.

Наблюдения из статьи в Science подтвердили правильность модели магнитодоминирующего диска. Теперь перед астрономами стоит задача наблюдать аналогичные явления у других двойных систем.

Космический рентгеновский телескоп HXMT, запущенный в 2017 году, является частью Стратегической приоритетной программы Китая по космическим наукам и работает одновременно с гамма-монитором всего неба GECAM, астрофизической обсерваторией DAMPE, первым в мире спутником квантовой связи QUESS и исследовательским спутником SJ-10 с 19 исследовательскими приборами на борту.

За последнее десятилетие Китай вырвался в лидеры изучения космоса, добавив к внушительному списку орбитальных обсерваторий успешную посадку на Луну с доставкой лунного грунта на Землю, отправку на Марс ровера, запуск спутника для изучения Солнца. Прямо сейчас в Китае обсуждают и готовят третью часть Стратегической программы изучения космоса, которая включит в себя еще 13 космических аппаратов, в том числе группировку лунных спутников для изучения Млечного пути. В конце года Китай собирается вывести на орбиту телескоп «Сюньтянь», который сможет за один раз фотографировать в 350 раз бо́льшую площадь неба, чем телескоп «Хаббл», и, согласно планам разработчиков, за десять лет изучит 40% неба.