Астрономы описали ветер чёрной дыры

Канадские, немецкие, нидерландские, испанские, британские и американские астрофизики изучили космический ветер, производимый активным ядром галактики IRAS 13224-3809. Считается, что там располагается сверхмассивная черная дыра, расчищающая окружающее пространство от материи. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature.

Механизм эмиссии рентгеновских лучей активными ядрами галактик изучен относительно хорошо, однако геометрия короны, где это излучение возникает, до сих пор не вполне понятна. В данной работе ученые попробовали проанализировать реверберацию рентгеновского излучения, чтобы прояснить устройство внутреннего края аккреционного диска, образованного вращающейся вокруг черной дыры материей.

Объект IRAS 13224-3809 представляет собой сейфертовскую звездную систему типа I (то есть с широкими разрешенными и узкими запрещенными спектральными линиями) c красным смещением z=0,0658. Для таких систем характерны релятивистские выбросы газа из аккреционного диска вокруг черной дыры в активном ядре галактики. Объект IRAS 13224-3809 наиболее активен в рентгеновском диапазоне, за ним наблюдали космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR.

Сейфертовские галактики чрезвычайно похожи на квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной. Разница — в контрасте, определяемом как отношение светимости активного ядра галактики к светимости всей галактики. Для сейфертовской галактики контраст оценивается в двадцать процентов, тогда как для квазаров он достигает девяноста процентов.

Астрофизикам объект IRAS 13224-3809 хорошо известен как источник сильного релятивистского излучения. Это типично для сейфертовской звездной системой типа I. Флуоресцентное свечение возникает из-за того, что высокоэнергетическое рентгеновские лучи возбуждают атомы материи, переводя электроны на более высокие энергетические уровни. Потом система релаксирует, то есть испускает фотоны частотой, соответствующей разнице энергий между возбужденным и основным состояниями электронов в атомах.

Это позволяет выполнить элементный анализ излучающей материи. В частности, астрофизики наблюдали линии испускания железа, а в спектрах — характерный комптоновский горб. В свою очередь спектроскопия излучения, отраженного от плоскости внутреннего края аккреционного диска, указывает на высокую степень изгиба светового пучка вблизи горизонта событий (его не может покинуть никакая частица) черной дыры — эффект общей теории относительности.

Изучение рентгеновской реверберации, задержки между непрерывным и отраженным излучением, дает информацию об устройстве внутреннего края аккреционного диска. С другой стороны, яркость активного галактического ядра определяется попадающей в него из окружающего пространства материей, тогда как скорость поглощения материи аккреционным диском определяется яркостью ядра — типичный пример петли обратной связи, посредством которой расположенные в активных центрах сверхмассивные черные дыры регулируют рост галактик. Главным средством этого выступают ветры.

Отток газовой материи (в форме космического ветра) высвобождает огромное количество энергии в межзвездную среду, потенциально очищая окружающее активный центр галактики пространство. Скорость космических ветров превышает десять тысяч километров в секунду и достигает для объекта IRAS 13224-3809 71 тысячи километров в секунду — 0,236 скорости света в вакууме. Сами потоки частиц при этом распространяются на нескольких сотен гравитационных радиусов (сфера, ограниченная горизонтом событий) от черной дыры.

Рентгеноспектральные сигнатуры ветра регистрируются одновременно детекторами частиц низких и высоких энергий, что предполагает существование единого ионизированного оттока, связанного с низко- и высокоэнергетическими линиями поглощения. Таким образом, показано, что для окружающего сверхмассивную черную дыру пространства, в частности аккреционного диска, решающими являются два фактора — космический ветер и рентгеновское излучение.

Это также позволяет отследить аккреционные процессы, происходящие на различных расстояниях от черной дыры, — рентгеновское излучение в пределах нескольких гравитационных радиусов черной дыры, которое дополнительно ионизирует ветер, распространяющийся на сотни гравитационных радиусов от объекта.