Черные дыры известны тем, что всасывают все, что пересекает их горизонт событий, включая свет. Так почему же астрономы видят энергетическое излучение, исходящее из окружения черной дыры в рентгеновской двойной системе? Это хороший вопрос, на который наконец-то есть ответ.
Когда черная дыра и ее звезда-компаньон в системе вращаются во взаимном гравитационном танце, материал звезды движется по спирали к черной дыре. Он образует аккреционный диск, который ярко светится в рентгеновских лучах. Диск пронизан сильными магнитными полями, которые закручиваются по мере вращения черной дыры и диска. Но откуда берутся рентгеновские лучи? Оказывается, они исходят из турбулентных областей в диске. Они исходят не от самой черной дыры.
Рентгеновские бинарные системы
Чтобы лучше понять эти двойные системы, полезно взглянуть на их происхождение в целом. Эти странные пары обычно содержат обычную звезду (обычно главную последовательность), гравитационно связанную с нейтронной звездой или черной дырой. Существует несколько типов систем. Один из них — маломассивный тип со звездой, масса которой меньше массы нейтронной звезды или черной дыры-компаньона. Существуют системы средней массы, содержащие звезду средней массы, и рентгеновские двойные системы большой массы, в которых в системе есть звезда очень большой массы.
Компоненты черная дыра/нейтронная звезда образуются, когда сверхмассивная звезда-компаньон взрывается как сверхновая. После этого донорская звезда начинает терять массу в пользу мертвой звезды-компаньона. Падающий материал обычно создает аккреционный диск, где происходит высокоэнергетическая активность. Как правило, действие в аккреционном диске генерирует излучение, которое астрономы обнаруживают в этих системах. Двойные с малой массой испускают больше рентгеновских лучей в рамках своего «бюджета» излучения, в то время как массивные испускают много оптического света в дополнение к рентгеновским лучам.
Долгое время ученые пытались понять источники высокоэнергетического излучения, наблюдая, как материал втягивается в аккреционные диски. Рентгеновские лучи обычно возникают в чрезвычайно энергичных средах. Поэтому все предполагали, что эти диски имеют локализованные энергетические области. Одна из идей заключалась в том, что магнитные поля и локальные газовые облака взаимодействовали, и это генерировало рентгеновские лучи. Активность выглядит похожей на нагрев в среде Солнца, создаваемый магнитной активностью, связанной с солнечными вспышками. Вспышки действительно происходят в аккреционных дисках вокруг черных дыр, и они гораздо более экстремальны, чем выбросы нашего Солнца.
Делаем рентгеновские снимки черных дыр
Моделирование на суперкомпьютере, проведенное в Университете Хельсинки, помогло определить причину рентгеновских лучей. Они моделировали взаимодействие между излучением, перегретой плазмой и магнитными полями в аккреционных дисках черных дыр в бинарных парах. Моделирование показало, что турбулентность вокруг черной дыры невероятно сильна. Плазма на самом деле производит рентгеновские лучи, исходящие из аккреционных дисков. Йонас Няттиля из группы вычислительной плазменной астрофизики в университете возглавил группу, которая исследовала этот вид экстремальной плазмы. Он отметил, что для понимания происходящего мы должны рассмотреть эффекты квантовой электродинамики в системе.
Команда смоделировала смесь электронно-позитронной плазмы и фотонов. Электронно-позитронная плазма — это состояние, в котором электроны и позитроны взаимодействуют в пределах сильного магнитного поля. В таких условиях локальное рентгеновское излучение превращается в электроны и позитроны. Затем они аннигилируют обратно в излучение, восстанавливая контакт. Электроны и позитроны являются античастицами друг друга. Это означает, что они обычно не встречаются в одном и том же месте. Кроме того, плазма и излучение обычно не взаимодействуют друг с другом. Но все это может измениться, когда вы попадаете в среду вокруг черной дыры. Там электроны и позитроны существуют в непосредственной близости, и фотоны становятся настолько энергичными, что становятся частью активности.
«В повседневной жизни такие квантовые явления, когда вместо чрезвычайно яркого света внезапно появляется материя, конечно, не наблюдаются, но вблизи черных дыр они становятся критически важными», — сказал Няттиля. «Нам потребовались годы, чтобы исследовать и добавить в симуляции все квантовые явления, происходящие в природе, но в конечном итоге это того стоило», — добавил он.
Для получения дополнительной информации
Найдено объяснение рентгеновского излучения черных дыр
Моделирование радиационной плазмы корон аккреционного потока черной дыры в жестком и мягком состояниях
Препринт Arxiv
