Чёрные дыры разных размеров могут выбрасывать струи вещества по единому правилу

Чёрные дыры, масса которых различается в миллионы раз, по-видимому, запускают мощные струи вещества при одинаковом относительном уровне «питания». К такому выводу пришли астрономы, изучившие события приливного разрушения звёзд сверхмассивными чёрными дырами. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy. Чёрные дыры звёздной массы обычно весят примерно в десять раз больше Солнца, тогда как сверхмассивные объекты в центрах галактик могут превосходить его по массе в миллионы и даже миллиарды раз. Учёные давно предполагали, что основные законы их поведения должны быть одинаковыми.

Однако непосредственно проверить это было трудно из-за совершенно разных временных масштабов. Изменения в системе, содержащей небольшую чёрную дыру, могут происходить в течение дней или месяцев. У сверхмассивных чёрных дыр аналогичные процессы обычно растягиваются на тысячи и миллионы лет, поэтому астроном не может проследить полный цикл их активности. Решить эту проблему помогают события приливного разрушения. Они происходят, когда звезда приближается к сверхмассивной чёрной дыре настолько близко, что огромная разница в силе притяжения разрывает её на части. Часть звёздного вещества образует вокруг чёрной дыры раскалённый аккреционный поток, а другая часть может быть выброшена в космос.

Такие события позволяют наблюдать рождение и последующую эволюцию нового аккреционного потока всего за несколько лет. Для астрономов это своеобразный ускоренный эксперимент, показывающий процессы, которые в обычных активных галактиках развиваются чрезвычайно медленно. Астрофизики Адель Гудвин из Международного центра радиоастрономических исследований при Университете Кёртина и Эндрю Маммери из Института перспективных исследований сопоставили многолетние наблюдения, выполненные в оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском и радиодиапазонах. Данные поступили с наземных и космических телескопов, расположенных в разных частях мира. Первоначально исследователи рассмотрели 20 случаев разрушения звёзд.

Затем они отобрали десять наиболее качественно изученных событий, для которых можно было достаточно надёжно определить интенсивность поглощения вещества чёрной дырой и время появления радиоизлучения, свидетельствующего о выбросах. Анализ показал существование двух различных этапов формирования струй вещества. Первый начинается вскоре после разрушения звезды, когда к чёрной дыре устремляется особенно большое количество материала. Скорость аккреции в этот период может превышать эддингтоновский уровень — условный предел, при котором давление излучения становится сопоставимым с направленной внутрь силой гравитации.

Второй выброс появляется значительно позже — через сотни или даже тысячи дней после разрушения звезды. К этому времени запас доступного вещества уменьшается, а интенсивность питания чёрной дыры падает примерно до 2% от эддингтоновского предела. Именно этот показатель оказался особенно важным. Переход около двухпроцентного уровня уже известен по наблюдениям за чёрными дырами звёздной массы в нашей Галактике. При снижении интенсивности аккреции такие объекты меняют своё состояние, после чего у них могут появляться радиоджеты.

Теперь исследователи обнаружили похожий порог у сверхмассивных чёрных дыр. Это указывает на то, что механизм, связывающий поглощение вещества с образованием выбросов, может не зависеть от абсолютной массы объекта. И небольшие, и сверхмассивные чёрные дыры, вероятно, подчиняются одному масштабно-независимому физическому правилу. Мощные джеты представляют собой узкие потоки частиц, разогнанных до скоростей, близких к скорости света. Они способны распространяться на огромные расстояния и переносить энергию далеко за пределы окрестностей чёрной дыры. Подобные выбросы могут нагревать межзвёздный газ и влиять на образование звёзд, а значит, участвовать в эволюции целых галактик.

Полученные результаты также могут объяснить, почему некоторые сверхмассивные чёрные дыры создают заметные радиовыбросы практически сразу после разрушения звезды, тогда как другие вначале выглядят спокойными, но неожиданно проявляют активность спустя месяцы или годы. Вероятно, это не случайные различия, а два самостоятельных этапа одного цикла. Если астрономы смогут рассчитать, когда скорость аккреции конкретной чёрной дыры приблизится к критическим 2%, они получат возможность заранее прогнозировать появление позднего джета. Это позволит точнее планировать наблюдения и эффективнее использовать время крупных радиотелескопов. Такой подход может оказаться особенно полезным для будущих обсерваторий, включая строящийся радиоинтерферометр Square Kilometre Array.

Вместо постоянного наблюдения за большим количеством затихающих объектов учёные смогут сосредоточиться на тех чёрных дырах, которые приближаются к предполагаемому моменту нового выброса. Авторы подчёркивают, что выводы пока основаны на небольшой выборке из десяти наиболее подходящих событий. Потребуются дополнительные многолетние наблюдения, чтобы проверить универсальность найденного порога. Тем не менее совпадение показателей у чёрных дыр с настолько разной массой стало весомым аргументом в пользу существования общего механизма образования космических джетов.

• Умирающее Солнце может нарушить орбиты планет-гигантов раньше, чем считалось
• Сатурн и метеоры кометы Галлея: что увидеть на небе в октябре
• NASA проверит, скрывается ли под лунным провалом большая пещера
• Почему Уран вращается «на боку»: учёные изучают след исчезнувшего спутника
• NASA включило 300-мегапиксельную камеру космического телескопа Roman
• «Джеймс Уэбб» раскрыл удивительно упорядоченную погоду в мире в 20 световых годах от Земли
• Новолуние наступит 11 сентября: почему это хорошее время для наблюдения за звёздами
• Детектор LUX-ZEPLIN уловил загадочный сигнал: физики проверяют возможный след тёмной материи