Международная команда исследователей, включающая учёных ФИАН, МФТИ и МГУ, с беспрецедентной точностью визуализировала образование струи плазмы в окрестности массивной чёрной дыры. Радиоизображение, сделанное с помощью комбинации телескопов в космосе и на Земле, позволило восстановить структуру струи с потрясающей детализацией на уровне всего лишь в пару сотен радиусов чёрной дыры. Астрономам впервые удалось достичь такого разрешения. Полученные данные заставляют астрофизиков пересмотреть устоявшиеся взгляды на формирование джетов. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

Массивные чёрные дыры в центрах галактик превосходят массу Солнца в миллиарды раз. Уже давно известно, что некоторые из этих массивных чёрных дыр выбрасывают струи плазмы, которая течёт со скоростью, близкой к скорости света. Такие струи плазмы, называемые джетами, формируются в окрестности чёрной дыры и могут выходить далеко за пределы родной галактики. Над вопросом о том, как формируются джеты, астрофизики бьются многие годы. Долгое время не было технической возможности увидеть структуру этих струй достаточно близко к месту их зарождения, что необходимо для прямого сравнения информации, полученной из наблюдений, с теоретическими моделями образования джетов. Полученные из наблюдений «РадиоАстрона» данные позволят проверить теоретические модели и зададут дальнейшее направление их развития.

По сей день учёными обсуждаются базовые гипотезы формирования выбросов плазмы в галактиках. Есть две конкурирующие идеи, которые были предложены ещё на рубеже 70–80-х годов прошлого века.

Одна — модель Блэнфорда — Знаека. В центре галактики находится сверхмассивная чёрная дыра массой в миллиарды масс Солнца. Она вращается, вокруг нее вращается аккреционный диск. Часть падающего на неё из аккреционного диска вещества, которая не засасывается чёрной дырой, выбрасывается наружу в виде струи. То есть узкий джет формируется благодаря крутящему моменту, получаемому от центральной сверхмассивной чёрной дыры.

С этим представлением многие годы конкурировала модель Блэнфорда — Пейна. В рамках этой модели считается, что формирование горячих выбросов плазмы возможно через крутящий момент, уносимый от аккреционного диска. То есть сама чёрная дыра не играет ключевой роли в формировании джета.

До последнего времени астрофизики, занимающиеся далекими галактиками, отдавали предпочтение модели Блэнфорда — Знаека: они склонялись к тому, что джеты в галактиках формируются центральной сверхмассивной чёрной дырой.

Международная команда исследователей из восьми стран с помощью космического телескопа «РадиоАстрон» получила изображения джета, зарождающегося в окрестности центральной чёрной дыры галактики «Персей A», с ультравысоким угловым разрешением. Астрономам удалось получить детальное изображение основания джета в 10 раз ближе к границе чёрной дыры, чем это было возможно с наземными инструментами. Впервые получилось выявить новые детали области формирования струи.

Полученные данные являются серьёзным аргументом в пользу гипотезы о том, что джет может формироваться с участием аккреционного диска. Возможно, что вклад в этот процесс от аккреционного диска даже является основным.

«Мы публикуем первую карту „РадиоАстрона“ для объекта, находящегося так близко к нам. Из-за его близости реализуемое линейное разрешение составляет величину всего лишь 12 световых дней на расстоянии 70 мегапарсек, или 230 миллионов световых лет! Благодаря такому беспрецедентному разрешению „РадиоАстрона“ мы увидели, что джет сразу стартует широким и имеет цилиндрическую форму. Быть с самого начала широким он может только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск. Это первый результат, который указывает на важность вклада диска», — комментирует соавтор исследования, заведующий лабораторией в МФТИ и ФИАН, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев.

Раньше, из-за ограничения параметров наземных телескопов, астрономы не имели такого высокого углового разрешения при наблюдении джетов, поэтому не могли измерить ширину джета в его основании. Из-за этого общепринятой точкой зрения являлось то, что джеты стартуют узкими, и, следовательно, они формируются центральной чёрной дырой.

Благодаря возможностям «РадиоАстрона» авторы работы обнаружили, что ширина джета в самом основании составляет порядка тысячи радиусов Шварцшильда (этот радиус определяет размер горизонта событий чёрной дыры). А ведь, согласно устоявшимся представлениям, размер джета у его основания должен быть как минимум на порядок меньше.

«Это может означать, что, по крайней мере, внешняя часть струи запускается с аккреционного диска, окружающего чёрную дыру. Наш результат ещё не опровергает текущие гипотезы, в которых джеты запускаются из эргосферы — области пространства рядом с вращающейся чёрной дырой. Но, надеюсь, он даст теоретикам представление о структуре струи вблизи места запуска и подскажет, как модернизировать модели», — заключает доктор Туомас Саволайнен из Университета Аалто в Финляндии.

Для справки

В рамках международного проекта «РадиоАстрон» в 2011 году на околоземную орбиту был запущен космический радиотелескоп. Главный элемент аппарата — 10-метровое зеркало. При запуске оно было в сложенном состоянии, чтобы габариты не превышали 3,5 метра — диаметр ракеты. При выходе на расчётную орбиту 27 лепестков раскрылись и сформировали параболоид вращения размером 10 метров с точностью 1 миллиметр. Этот телескоп был построен Научно-производственным объединением им. Лавочкина. Головной научной организаций является Астрокосмический центр Физического института им. Лебедева РАН, руководитель проекта — академик РАН Николай Кардашёв.

Картинки по запросу RadioAstron

«„РадиоАстрон“ реализует рекордное угловое разрешение до нескольких микросекунд дуги, эквивалентное радиотелескопу диаметром 350 000 км — почти расстояние между Землёй и Луной. На Земле с нами работает до 40 крупнейших радиотелескопов по всему миру. Сигналы отдельных телескопов, синхронизированные с помощью атомных часов, объединяются вместе в интерферометре для получения изображения при помощи специализированной обработки данных», — рассказывает Юрий Ковалев.