Чорні діри є одними з найекстремальніших об'єктів у всесвіті. Вони можуть викидати матерію на швидкостях, близьких до швидкості світла, у потужних променях плазми, відомих як джети. Ці джети вважаються одними з найенергійніших явищ у космосі.
Наша нова робота, опублікована сьогодні в Nature Astronomy, ставить під сумнів цю інтуїцію. Ми виявили, що щось таке, як «вітер» від зірки, може зрівнятися – і навіть формувати – поведінку цих потужних джетів.
Космічний вальс
Система Cygnus X-1 є космічним вальсом між чорною дірою та масивною зіркою.
Чорна діра є першою, що була виявлена. Вона важить близько 21 разу більше, ніж наше Сонце, стиснута в регіоні приблизно 100 кілометрів в діаметрі.
Вона знаходиться в бінарній системі з набагато більшою супутньою зіркою, яка майже в 40 разів масивніша за Сонце. Чорна діра та зірка обертаються одна навколо одної раз на 5,6 днів.
Протягом приблизно 20 000 років чорна діра живиться матеріалом з цієї зірки. Вона робить це, захоплюючи потужний зоряний вітер зірки, використовуючи своє інтенсивне гравітаційне поле.
Частина цього матеріалу зникає в чорній дірі, перетинаючи точку неповернення (відому як горизонту подій) в односторонню подорож. Закручені магнітні поля, які затягуються разом з газом, призводять до запуску джетів, які рухаються майже зі швидкістю світла.
Джети несуть енергію від чорної діри на відстань, що втричі перевищує 16 світлових років.
Їхня дія за останні 20 000 років надула гігантську бульбашку гарячого газу в навколишньому міжзоряному просторі. Але, незважаючи на їхню важливість, вимірювання миттєвої потужності цих джетів залишалося великою проблемою до цього часу.
Сила пари
Зоряні вітри – це потоки частинок, які викидаються з поверхні зірки під тиском світла. Коли сонячний вітер від нашого Сонця особливо інтенсивний, він викликає полярні сяйва, коли частинки вдаряють у магнітне поле Землі.
Супутня зірка в Cygnus X-1 настільки масивна і яскрава, що втрачає 100 мільйонів разів більше маси у своєму вітрі, ніж Сонце, і прискорює її до швидкостей у три рази вищих.
У нашому дослідженні ми зробили дуже високоякісні зображення джетів, поєднуючи телескопи, розташовані на тисячах кілометрів один від одного. Це та ж техніка, яку використовував Event Horizon Telescope для створення першого зображення чорної діри.
Ми виявили, що вітер від супутньої зірки в Cygnus X-1 настільки сильний, що може згинати джети, запущені чорної дірою. Це показує, наскільки потужними можуть бути вітри масивних зірок.
Коли чорна діра обертається навколо зірки, зоряний вітер постійно тисне на джети, відштовхуючи їх від зірки. Це призводить до зміни їхнього напрямку, так само як вітер на Землі може здувати воду в фонтані.
З нашої точки зору джети здаються такими, що «танцюють» в ритмі орбітального руху системи. Моделюючи цей космічний танець, ми змогли вперше виміряти миттєву потужність джетів і виявити, що вона еквівалентна 10 000 сонцям.
Калорійний дефіцит дієти чорної діри
Розуміння того, як чорні діри використовують свою енергію, розповідає нам про те, як еволюціонують галактики.
Коли матерія падає до чорної діри, частина з неї сприяє зростанню самої чорної діри. Але значна частина може бути перенаправлена в джети, які вносять енергію назад у навколишнє середовище.
Для найбільш масивних чорних дір у центрах галактик джети можуть формувати їхні галактики-господарі та впливати навіть на більші космічні структури.
Ми можемо виміряти, як швидко чорна діра живиться, за рентгенівськими променями, які виробляються матеріалом, що падає всередину. Однак до цього часу у нас не було прямого способу виміряти, скільки енергії йде в ці джети в будь-який момент.
Наше вимірювання потужності джетів у Cygnus X-1 забезпечує новий спосіб «збалансувати енергетичний бюджет» чорних дір.
Порівнюючи, як швидко чорна діра живиться, і скільки енергії переноситься джетами, ми можемо точно налаштувати комп'ютерні моделі всесвіту. Це розповідає нам про те, як чорні діри впливають на всесвіт на найбільших масштабах.
Цікавий факт
Дослідження показало, що джети чорних дір можуть досягати відстані до 16 світлових років, що є вражаючим свідченням їхньої потужності.