Астрономы поняли, откуда в окрестностях чёрной дыры вырывается струя плазмы

Международная команда исследователей, включающая учёных МГУ имени М.В.Ломоносова, ФИАН и МФТИ, изучила джет (струю плазмы) в центре радиогалактики 3C84 при помощи наземных и орбитального радиотелескопов и нашла аргументы в пользу теории, согласно которой джеты формируются в аккреционном диске, а не в эргосфере чёрных дыр. Статья об исследовании опубликована в Nature Astronomy.



Радиогалактика 3C84, также известная как Персей А или NGC 1275, — один из самых ярких компактных радиоисточников, находящийся в созвездии Персея. В её центре, как и в центрах многих известных массивных галактик, находится огромная чёрная дыра массой в миллиарды Солнц.



Вещество, затягиваемое в чёрную дыру, одновременно вращается вокруг неё, поэтому оно приближается к чёрной дыре по спирали, а не падает сразу по кратчайшему пути. Из-за этого вокруг дыры формируется «шлейф» падающего в неё вещества — аккреционный диск. Его взаимодействие с магнитными полями приводит к выбросам из окрестностей чёрной дыры струй плазмы, которые называются джетами. Эти струи вырываются из центра радиогалактики с двух противоположных сторон вдоль оси вращения аккреционного диска. Когда выбрасываемое вещество достигает околосветовых скоростей, его начинают называть релятивистским (или релятивистской струёй), так как на него начинают влиять эффекты специальной теории относительности.



Поскольку вырваться из самой чёрной дыры ничто не может, но струя формируется где-то очень близко от неё, астрономы спорят о том, откуда именно выходит джет. Согласно модели Блэнфорда — Пэйна, он возникает в аккреционном диске. Альтернативная модель Блэнфорда — Знаека предполагает, что струя плазмы выбрасывается из эргосферы чёрной дыры — пространства между горизонтом событий и пределом статичности. Горизонтом событий чёрной дыры называют границу, изнутри которой даже свет не может вырваться наружу, а пределом статичности считают границу вокруг чёрной дыры, внутри которой тело не может находиться в состоянии покоя с точки зрения удалённого наблюдателя.



Исследование джета, истекающего из центра радиогалактики 3C84, принесло много новых данных, которые могут стать аргументом в пользу одной из моделей. О том, что в центре этой радиогалактики есть джет, который расширяется по мере удаления от чёрной дыры и ярче по краям, чем в центре, было известно и раньше благодаря наблюдениям с наземных телескопов. 



«Наши новые данные позволили построить более детальное изображение джета и измерить его ширину так близко к месту его зарождения, что это позволяет сделать выводы о механизме образования джета», — прокомментировал соавтор статьи Кирилл Соколовский, кандидат физико-математических наук, ведущий специалист отдела изучения Галактики и переменных звёзд Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ.



Работа выполнена международной группой учёных, возглавляемой Габриэле Джиованни из Национального института астрофизики в Италии и Туомасом Саволайненом из университета Аалто в Финляндии. Сам Кирилл Соколовский занимался расчётами и планированием наблюдений. Он выбрал оптимальное время наблюдения, основываясь на условиях видимости 3C84 для наземных и космического телескопов. Одновременные наблюдения при помощи космического телескопа «РадиоАстрон» и двадцати девяти наземных телескопов дали возможность построить радиоизображения джета в окрестностях сверхмассивной чёрной дыры в центре радиогалактики 3C84.



«Благодаря «РадиоАстрону» удалось измерить ширину джета на расстоянии всего —350 гравитационных радиусов (радиусов горизонта событий) от чёрной дыры, — рассказал Кирилл Соколовский. — Джет на этом расстоянии оказался уже достаточно широким (~250 гравитационных радиусов), что указывает на то, что джет зарождается в аккреционном диске (механизм Блэнфорда — Пэйна), а не в эргосфере чёрной дыры (механизм Блэнфорда — Знаека)».



Кроме того, как добавил Кирилл Соколовский, удалось измерить профиль коллимации струи плазмы (ширину джета в зависимости от расстояния до чёрной дыры). Он оказался почти цилиндрическим, что разительно отличается от параболического профиля коллимации, измеренного по наземным данным в двух других близких радиогалактиках — Дева А (M87) и Лебедь А. Учёный предполагает, что форма джета в радиогалактиках может различаться из-за разного распределения плотности газа, окружающего чёрные дыры в центрах этих галактик.



«Участники миссии «РадиоАстрон» счастливы, что уникальная комбинация изготовленного в России радиотелескопа и множества наземных телескопов со всего мира позволила изучить этот молодой релятивистский джет в непосредственной близости от сверхмассивной чёрной дыры», — прокомментировал Юрий Ковалёв, заведующий лабораторией в МФТИ и ФИАН, член-корреспондент РАН и руководитель научной программы проекта «РадиоАстрон».



Исследование проводилось совместно с учёными из Астрокосмического центра  Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ), а также коллегами из Италии, Финляндии, Японии, Германии, Тайваня, Кореи, США, Греции и Австралии. Космический телескоп «РадиоАстрон» создан в НПО имени С.А. Лавочкина совместно с ФИАН и международными партнёрами. Телескоп успешно работает на околоземной орбите с 2011 г.

Фото: Коллаж, иллюстрирующий наблюдения радиогалактики 3C84 наземно-космическим интерферометром. Источник: Кирилл Соколовский