Астрономы, изучая чёрную дыру, находящуюся в центре нашей галактики, при помощи космического рентгеновского телескопа Европейского космического агентства XMM-Newton, сделали уникальное открытие относительно «коктейля» частиц, изгнанных из её окружения.
Черные дыры звездной массы, как правило «питаются» за счёт материала из звезд-компаньонов. Поток вещества от звезды к черной дыре, вращающийся в окружающем её аккреционном диске, настолько разогревается, что черная дыра испускает рентгеновские лучи.
Следует отметить, что чёрные дыры могут быть весьма «привередливыми гурманами»: вместо того, чтобы поглощать весь исходящий от звезд материал, иногда чёрные дыры «отвергают» некоторую его часть, испуская вещество в виде двух мощных джетов (потоков, струй) частиц. Поскольку эти джеты испускают массу и энергию в окружающее космическое пространство, у черной дыры становится меньше материла, который можно поглощать.
Изучая состав джетов, астрономы могут больше узнать о «кулинарных пристрастиях» черных дыр.
Наблюдения за черными дырами в радиодиапазоне показали, что джеты содержат электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Однако до сих пор оставалось загадкой, дополняется отрицательный заряд электронов их античастицами – позитронами, или более тяжёлыми положительно заряженными частицами, такими как протоны или ядра атомов?
В новом исследовании астрономы использовали рентгеновский телескоп XMM-Newton для изучения бинарной системы черной дыры, известной как 4U1630–47, чтобы выяснить как происходят изменения вспышек рентгеновского излучения за месяцы и годы.
По словам María Díaz Trigo из European Southern Observatory, которая является автором научной статьи «Baryons in the relativistic jets of the stellar-mass black hole candidate 4U1630–47,» («Барионы релятивистских джетов кандидата в черные дыры 4U1630–47»), опубликованной 14 ноября в журнале «Nature», проводя наблюдения за джетами, она и её коллеги обнаружили признаки высоко ионизированных ядер двух тяжёлых химических элементов – железа и никеля.
María Díaz Trigo отмечает, что это открытие стало для астрономов полной неожиданностью, к тому же оно подтвердило, что состав джетов черных дыр намного богаче в химическом аспекте, нежели просто электроны.
Команда исследователей дважды наблюдала за 4U1630–47 с помощью XMM-Newton — в сентябре и ноябре 2012 года. Позже результаты наблюдений были сравнены с радионаблюдениями Australia Telescope Compact Array.
Хотя два набора данных, описанных Díaz Trigo и её коллегами, были получены всего с разницей в несколько недель, результаты кардинально отличались.
В первом наборе данных астрономы обнаружили рентгеновское излучение аккреционного диска, но им ничего не удалось увидеть в радиоволнах – это было знаком того, что джеты не были активными. Во втором наборе данных, исследователи обнаружили источник излучения и в радиоволнах и в рентгеновских лучах, таким образом, они удостоверились в том, что джеты возобновили свою активность за это время.
Тщательно анализируя рентгеновские данные второй партии наблюдений, астрономы также обнаружили признаки ядер железа, причем они были характерны обоим джетам, имеющим противоположные направления. Астрономы также нашли подтверждение наличия ядер никеля в одном из джетов.
Соавтор исследования James Miller-Jones из Curtin University при International Centre for Radio Astronomy, отмечает, что судя по таким «отпечаткам» никеля и железа, астрономы могут утверждать, что скорость джетов чрезвычайно высока — примерно 2/3 скорости света.
По словам Simone Migliari из University of Barcelona, который также принимал участие в исследованиях, наличие тяжёлых атомных ядер в джетах черных дыр означает, что масса и энергия «покидают» черную дыру в больших количествах, нежели учёные предполагали ранее, что в свою очередь может оказывать влияние на механизм и скорость, с которой черная дыра аккумулирует материю.
Это – первый раз, когда тяжёлые ядра были обнаружены в джетах типичной черной дыры звездной массы.
Существует только одна аналогичная бинарная система, которая имеет похожие признаки наличия ядер атомов в её джетах – это источник, известный как SS 433. Однако, эта черная дыра характеризуется необычно высоким темпом аккреции, который не позволяет сравнивать её свойства с характеристиками более типичных черных дыр.
Новые наблюдения за 4U1630–47 позволят астрономам больше узнать о физических свойствах механизма, который запускает джеты из аккреционного диска черной дыры.
Координатор проекта ESA XMM-Newton Project Norbert Schartel подытоживает, что невзирая на то, что в настоящее время астрономы многое знают о черных дырах и тех процессах, которые происходят внутри них, формирование джетов – по-прежнему большая загадка, ввиду чего такое открытие – важный шаг вперёд в понимании этого увлекательного явления.
