Учені пояснили, як чорні діри впливають на еволюцію галактик

Чорна діра - це не "діра" у звичному сенсі, а область у космосі з настільки сильною гравітацією, що з неї не може вирватися нічого - навіть світло. Це екстремально щільний об'єкт: величезна маса "стиснута" в дуже малий об'єм. Через це викривлення простору і часу стає настільки сильним, що всі траєкторії руху ведуть усередину, пише 24 Канал із посиланням на NASA Science.

Що ми знаємо про чорні діри

У чорної діри є дві ключові частини:

• Перша - це "горизонт подій". Це межа, після якої повернення вже неможливе: щоб вибратися, потрібно рухатися швидше за світло, а це фізично неможливо.
• Друга - це сингулярність у центрі. Там матерія стиснута до стану, де щільність формально стає нескінченною, і відомі закони фізики перестають працювати, пояснює EncyclopediaBritannica

Найпоширеніший сценарій виникнення чорних дір - смерть масивної зірки. Коли в ній закінчується "паливо", вона більше не може протидіяти власній гравітації і колапсує сама в себе. Якщо маса досить велика, утворюється чорна діра.

При цьому самі чорні діри невидимі. Але навколо них часто є гарячий диск газу та пилу, який світиться (особливо в рентгенівському діапазоні), коли падає всередину. Саме за цими ефектами їх і виявляють.

Як взаємодіють чорні діри та гігантські зірки

Для того, щоб зрозуміти, що відбувається під час зіткнення цих двох масивних об'єктів, учені спостерігали за системою Cygnus X-1, розташованою на відстані близько 2,22 кілопарсека (що становить приблизно 7 000 світлових років) від Землі. Вона складається з чорної діри масою 21,2 ± 2,2 маси Сонця та її супутника - блакитного надгіганта спектрального класу O, маса якого сягає 40,6 маси Сонця.

Ці об'єкти обертаються навколо спільного центру мас із періодом 5,6 доби. Чорна діра активно поглинає речовину з потужного зоряного вітру свого компаньйона, швидкість втрати маси якого в 100 мільйонів разів перевищує сонячну.

Під час цього процесу чорна діра випускає релятивістські струмені речовини - джета. Однак, як виявилося, ці потоки не рухаються по прямій. Використовуючи дані 18-річних спостережень за допомогою мереж радіотелескопів Very Long Baseline Array (VLBA) і European VLBI Network (EVN), міжнародна група вчених виявила, що потужні зоряні вітри надгіганта чинять бічний тиск на джети, змушуючи їх викривлятися приблизно на 2 градуси. Цей ефект нагадує те, як сильний земний вітер відхиляє струмінь води у фонтані.

Професор Джеймс Міллер-Джонс з Університету Кертіна пояснює важливість цього відкриття:

Знаючи силу вітру, команда змогла розрахувати силу, яку він чинив на джети, і на основі цього вивести, скільки енергії несли ці джети в будь-який момент часу, - каже вчений.

Такий підхід дозволив вирішити давню проблему астрофізики - вимірювання миттєвої потужності джетів. Раніше вчені могли оцінювати лише середню потужність за тисячі або навіть мільйони років, спостерігаючи за бульбашками газу, які роздмухують ці струмені в міжзоряному середовищі.

Результати виявилися приголомшливими: миттєва кінетична потужність джетів у Cygnus X-1 еквівалентна сумарному випромінюванню 10 000 таких зірок, як наше Сонце. Швидкість речовини в цих струменях досягає приблизно 150 000 кілометрів на секунду, що становить близько половини швидкості світла.

Дослідження, опубліковане в Nature Astronomy, також підтвердило важливий теоретичний показник: приблизно 10 відсотків енергії, що вивільняється під час падіння матерії в чорну діру, виноситься джетами у відкритий космос.

Яка нам від цього користь?

Доктор Стів Прабу, провідний автор дослідження, зазначає, що це відкриття має фундаментальне значення для космології. Хоча це припущення давно використовувалося в моделях формування галактик, воно ніколи не було підтверджено прямими спостереженнями до цього моменту.

Надмасивні чорні діри в центрах галактик створюють потужний зворотний зв'язок, впорскуючи енергію і магнітні поля в навколишній простір. Це регулює темпи зореутворення і формує структуру галактик протягом мільярдів років. Оскільки фізика чорних дір вважається масштабно-інваріантною (тобто однаковою як для об'єктів масою в кілька сонячних, так і для мільярдів сонячних мас), дані з Cygnus X-1 стають надійним якорем для калібрування моделей у всьому Всесвіті.

Також учені змогли встановити межі нахилу осі джетів щодо орбіти системи. Виявилося, що це зміщення є незначним - верхня межа становить 8,2 градуса. Це свідчить про стабільність системи протягом останніх 18 років спостережень.

Такі точні вимірювання допоможуть інтерпретувати майбутні дані з нових гігантських обсерваторій, як-от Square Kilometre Array, що наразі будуються в Австралії та Південній Африці.