Ученые объяснили, как черные дыры влияют на эволюцию галактик

Черная дыра – это не "дыра" в привычном смысле, а область в космосе с настолько сильной гравитацией, что из нее не может вырваться ничего – даже свет. Это экстремально плотный объект: огромная масса "сжата" в очень малый объем. Из-за этого искривление пространства и времени становится настолько сильным, что все траектории движения ведут внутрь, пишет 24 Канал со ссылкой на NASA Science.

Что мы знаем о черных дырах

У черной дыры есть две ключевые части:

• Первая – это "горизонт событий". Это предел, после которого возвращение уже невозможно: чтобы выбраться, нужно двигаться быстрее света, а это физически невозможно.
• Вторая – это сингулярность в центре. Там материя сжата до состояния, где плотность формально становится бесконечной, и известные законы физики перестают работать, объясняет EncyclopediaBritannica

Самый распространенный сценарий возникновения черных дыр – смерть массивной звезды. Когда в ней заканчивается "топливо", она больше не может противодействовать собственной гравитации и коллапсирует сама в себя. Если масса достаточно большая, образуется черная дыра.

При этом сами черные дыры невидимы. Но вокруг них часто есть горячий диск газа и пыли, который светится (особенно в рентгеновском диапазоне), когда падает внутрь. Именно по этим эффектам их и обнаруживают.

Как взаимодействуют черные дыры и гигантские звезды

Для того, чтобы понять, что происходит во время столкновения этих двух массивных объектов, ученые наблюдали за системой Cygnus X-1, расположенной на расстоянии около 2,22 килопарсека (что составляет примерно 7 000 световых лет) от Земли. Она состоит из черной дыры массой 21,2 ± 2,2 массы Солнца и ее спутника – голубого сверхгиганта спектрального класса O, масса которого достигает 40,6 массы Солнца.

Эти объекты вращаются вокруг общего центра масс с периодом 5,6 суток. Черная дыра активно поглощает вещество из мощного звездного ветра своего компаньона, скорость потери массы которого в 100 миллионов раз превышает солнечную.

Во время этого процесса черная дыра выпускает релятивистские струи вещества – джета. Однако, как оказалось, эти потоки не движутся по прямой. Используя данные 18-летних наблюдений с помощью сетей радиотелескопов Very Long Baseline Array (VLBA) и European VLBI Network (EVN), международная группа ученых обнаружила, что мощные звездные ветры сверхгиганта оказывают боковое давление на джеты, заставляя их искривляться примерно на 2 градуса. Этот эффект напоминает то, как сильный земной ветер отклоняет струю воды в фонтане.

Профессор Джеймс Миллер-Джонс из Университета Кертина объясняет важность этого открытия:

Зная силу ветра, команда смогла рассчитать силу, которую он оказывал на джеты, и на основе этого вывести, сколько энергии несли эти джеты в любой момент времени, – говорит ученый.

Такой подход позволил решить давнюю проблему астрофизики – измерения мгновенной мощности джетов. Ранее ученые могли оценивать лишь среднюю мощность за тысячи или даже миллионы лет, наблюдая за пузырьками газа, которые раздувают эти струи в межзвездной среде.

Результаты оказались потрясающими: мгновенная кинетическая мощность джетов в Cygnus X-1 эквивалентна суммарному излучению 10 000 таких звезд, как наше Солнце. Скорость вещества в этих струях достигает примерно 150 000 километров в секунду, что составляет около половины скорости света.

Исследование, опубликовано в Nature Astronomy, также подтвердило важный теоретический показатель: примерно 10 процентов энергии, высвобождаемой при падении материи в черную дыру, выносится джетами в открытый космос.

Какая нам от этого польза?

Доктор Стив Прабу, ведущий автор исследования, отмечает, что это открытие имеет фундаментальное значение для космологии. Хотя это предположение давно использовалось в моделях формирования галактик, оно никогда не было подтверждено прямыми наблюдениями до этого момента.

Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик создают мощную обратную связь, впрыскивая энергию и магнитные поля в окружающее пространство. Это регулирует темпы звездообразования и формирует структуру галактик в течение миллиардов лет. Поскольку физика черных дыр считается масштабно-инвариантной (то есть одинаковой как для объектов массой в несколько солнечных, так и для миллиардов солнечных масс), данные с Cygnus X-1 становятся надежным якорем для калибровки моделей во всей Вселенной.

Также ученые смогли установить пределы наклона оси джетов относительно орбиты системы. Оказалось, что это смещение является незначительным – верхний предел составляет 8,2 градуса. Это свидетельствует о стабильности системы в течение последних 18 лет наблюдений.

Такие точные измерения помогут интерпретировать будущие данные из новых гигантских обсерваторий, таких как Square Kilometre Array, которые сейчас строятся в Австралии и Южной Африке.