Новое исследование подтверждает давно существовавшие подозрения о том, каким образом черные дыры звездных масс генерируют высокоэнергетическое излучение...
Новое исследование, проводимое астрономами НАСА из Университета Джонса Хопкинса и Рочестерского технологического института, подтверждает давно существовавшие подозрения о том, каким образом черные дыры звездных масс генерируют высокоэнергетическое излучение.
«В нашей работе отслеживаются сложные движения, взаимодействия частиц и турбулентных магнитных полей в газе, раскаленном до температур порядка нескольких миллиардов градусов, на границе черной дыры, одной из наиболее экстремальных физических сред во Вселенной»,– говорит ведущий исследователь Джереми Шмиттман (Jeremy Schnittman), астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд.
Анализируя данные суперкомпьютерной модели потока газа, стекающего в черную дыру, группа исследователей приходит к выводу, что может воспроизвести ряд важнейших особенностей рентгеновского излучения, давно наблюдаемого в активных черных дырах.
На видео: Эта анимация суперкомпьютерных данных переносит вас во внутреннюю зону аккреционного диска черной дыры звездных масс. Газ, разогретый до 20 миллионов градусов по Фаренгейту, падающий в черную дыру, закручиваясь в спираль, светится, излучая низкоэнергетическое или мягкое рентгеновское излучение. Непосредственно перед тем, как газ «нырнет» в центр черной дыры, скорость его орбитального движения почти достигнет скорости света. Рентгеновское излучение, мощность которого в сотни раз больше («жестче»), чем в диске, исходит из короны, области, окружающей диск, где запасы газа весьма скудные, но температуры значительно выше. Температуры в области короны достигают миллиардов градусов. Сфера Шварцшильда – это граница, где все траектории, в том числе и траектории потоков излучения, должны изгибаться в обратном направлении, отбрасывая все, что движется, вовнутрь. Ничто, не только свет, не может вырваться наружу, за пределы сферы Шварцшильда и спастись бегством из черной дыры.
Автор видео: Центр космических полетов имени Годдарда, НАСА. Музыка: Из фильма «Lost in Space» («Потерянный в космосе»), любезно предоставлена композитором Ларсом Леонардом (Lars Leonhard), Германия
Газ, падающий в черную дыру, сначала совершает круговое движение вокруг неё, а затем, постепенно набирая массу, закручивается, образуя сплющенный диск. Из диска скопившийся газ с ускорением падает внутрь черной дыры, совершая спиралевидное движение, и, по мере продвижения к центру дыры, подвергается сильному сжатию и разогреву. В итоге, достигая температуры приблизительно в 20 миллионов градусов по Фаренгейту (12 миллионов градусов Цельсия) – примерно в 2000 раз горячее поверхности нашего Солнца – газ ярко светится, излучая низкоэнергетическое, или мягкое, рентгеновское излучение.
Продолжающиеся более сорока лет наблюдения, тем не менее, показали, что черные дыры также генерируют значительные количества «жесткого» рентгеновского излучения, которое в десятки и сотни раз мощнее мягкого рентгеновского излучения. Такое высокоэнергетическое излучение предполагает, соответственно, присутствие более горячего газа, температура которого может достигать нескольких миллиардов градусов.
Новое исследование стирает существующее расхождение между теоретическими представлениями и практическими наблюдениями, демонстрируя, что и мягкое, и жесткое рентгеновское излучение являются неизбежными спутниками порождающего их газа, который спиралями стекает в черную дыру.
Работая в тесном сотрудничестве с Юлианом Кроликом (Julian Krolik), профессором из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, и Скоттом Ноблем (Scott Noble), научным сотрудником из Рочестерского технологического института в Рочестере, штат Нью-Йорк, Шниттман (Schnittman) разработал процесс моделирования внутренней области аккреционного диска черной дыры, отслеживая рентгеновское излучение и перемещение его потоков, а также сравнивая результаты с наблюдениями за реальными черными дырами.
Нобль разработал компьютерную модель, разрешающую все уравнения, управляющие сложным движением стекающего в черную дыру газа и связанными с ним магнитными полями вблизи аккреционной черной дыры. Нарастающие температуры, плотности и скорости падающего газа резко усиливают магнитные поля, пронизывающие диск, которые оказывают дополнительное влияние на газ.
В результате таких воздействий вокруг черной дыры образуется турбулентный поток пены, скорость движения которого приближается к скорости света. В модели одновременно отслеживаются гидродинамические, электрические и магнитные свойства газа, а также учтены принципы теории относительности Эйнштейна.
В модели Нобля, реализуемой на суперкомпьютере «Рейнджер» (Ranger) в Техасском современном вычислительном центре, расположенном на территории Техасского университета в Остине, использовалось 960 из примерно 63000 центральных процессоров «Рейнджера». Для полной реализации модели потребовалось 27 дней работы суперкомпьютера.
За многие годы наблюдений в рентгеновском диапазоне с применением сверхсовременных инструментов появилось множество доказательств, – и число их постоянно растет, – что жесткое рентгеновское излучение исходит из тончайшей раскаленной короны (образованной разреженным газом), парящей над диском, структурного аналога горячей короны нашего Солнца.
«Астрономы также предполагали, что в диске поддерживаются сильные магнитные поля, и что эти поля могли выдувать из диска газ в виде пузыря, образующего корону. «Но никто не мог с уверенностью утверждать, так ли это происходило, на самом деле, и если так, то соответствует ли генерируемое при этом рентгеновское излучение тому, которое мы наблюдаем».
Используя данные, генерируемые моделью Нобля, Шниттман и Кролик разработали инструменты для отслеживания того, как происходит генерирование рентгеновского излучения, его поглощение и рассеяние сквозь аккреционный диск и область короны. Совместными усилиями они впервые демонстрируют прямую связь между магнитной турбулентностью в диске, формированием короны с температурой в миллиарды градусов и генерированием жесткого рентгеновского излучения вокруг активно «питающейся» черной дыры.
Статья, в которой обсуждаются полученные данные, была опубликована в выпуске Астрофизического журнала (Astrophysical Journal) от 1 июня.
В короне электроны и другие частицы перемещаются со скоростями, существенно приближающимися к скорости света. Когда низкоэнергетическое (мягкое) рентгеновское излучение, исходящее из диска, проходит через область короны, оно может вступить во взаимодействие («столкнуться») с одной из быстрых частиц. Такая «встреча» приводит к значительному возрастанию энергии рентгеновского излучения за счет процесса, известного как обратное комптоновское рассеяние.
«Черные дыры – это поистине экзотические объекты, обладающие сверхвысокими температурами, невероятно быстрыми движениями и гравитацией, которая демонстрирует всю таинственность общей теории относительности»,– говорит Кролик. «Но наши модели, основанные на сложных вычислениях, показывают, что мы можем составить точное представление о черных дырах, исходя всего лишь из классических законов физики».
В исследовании за основу брали невращающиеся черные дыры. Исследователи переносят полученные результаты на черные дыры, вращающиеся вокруг собственной оси, у которых вращение затягивает внутренний край диска еще дальше во внутреннюю область, и условия становятся еще более экстремальными. Кроме того, они также планируют провести детальное сравнение полученных ими результатов с массивом данных наблюдений в рентгеновском диапазоне, которые сейчас хранятся в архивах НАСА и других организаций.
Черные дыры – это самые плотные объекты из всех, которые известны. Черные дыры звездных масс формируются, когда у массивных звезд истощаются запасы их топлива, и они коллапсируют, сжимаясь до компактных объектов, составляющих в поперечнике менее 75 миль (120 километров), масса которых соответствует примерно 20 солнечным массам.
Свежие комментарии