Badanie powstawania akrecji MAD wokół czarnych dziur

Międzynarodowy zespół naukowy po raz pierwszy wykrył transfery pola magnetycznego w strumieniu akrecyjnym czarnej dziury oraz powstawanie „MAD” – dysku zatrzymanego magnetycznie – w pobliżu czarnej dziury.

Naukowcy dokonali tego odkrycia podczas prowadzenia badań obserwacyjnych na wielu długościach fal rentgenowskiego zdarzenia wybuchu podwójnej czarnej dziury MAXI J1820+070, przy użyciu Insight-HXMT, pierwszego chińskiego satelity astronomicznego rentgenowskiego, a także wielu teleskopów.

Kluczem do ich odkrycia była obserwacja, że ​​emisja radiowa ze strumienia czarnej dziury i emisja optyczna z zewnętrznego obszaru strumienia akrecyjnego pozostają w tyle za twardym promieniowaniem rentgenowskim z gorącego gazu w wewnętrznym obszarze strumienia akrecyjnego (tj. gorący strumień akrecyjny) o odpowiednio około 8 i 17 dni.

Wyniki te zostały opublikowane w Nauki 31 sierpnia.

Badania prowadził doc. Profesor Yu Bai z Uniwersytetu Wuhan, profesor Cao Xinwu z Uniwersytetu Zhejiang i profesor Yan Chen z Obserwatorium Astronomicznego w Szanghaju (SHAO) Chińskiej Akademii Nauk.

Proces wychwytywania gazu w czarnej dziurze nazywany jest „akrecją”, a gaz opadający do czarnej dziury nazywany jest przepływem akrecyjnym. Procesy lepkie w przepływie akrecyjnym skutecznie uwalniają potencjalną energię grawitacyjną, której część przekształcana jest w promieniowanie o wielu długościach fal. Promieniowanie to można obserwować za pomocą teleskopów naziemnych i kosmicznych, co pozwala nam „zobaczyć” czarną dziurę.

Jednakże wokół czarnej dziury znajdują się „niewidzialne” pola magnetyczne. Kiedy czarna dziura gromadzi gaz, przyciąga również pole magnetyczne do wewnątrz. Poprzednie teorie sugerowały, że chociaż gaz akrecyjny w sposób ciągły wytwarza słabe zewnętrzne pola magnetyczne, pole magnetyczne stopniowo wzmacnia się w kierunku wewnętrznego obszaru przepływu akrecyjnego. Zewnętrzna siła magnetyczna działająca na strumień akrecji wzrasta i przeciwdziała przyciąganiu grawitacyjnemu do wewnątrz czarnej dziury. Dlatego w wewnętrznym obszarze strumienia akrecyjnego w pobliżu czarnej dziury, gdy pole magnetyczne osiąga określoną siłę, materia akrecyjna zostaje uwięziona przez pole magnetyczne i nie może swobodnie wpaść do czarnej dziury. Zjawisko to znane jest jako dysk zatrzymany magnetycznie.

Teoria MAD została zaproponowana wiele lat temu i z powodzeniem wyjaśnia pewne zjawiska obserwacyjne związane z akrecją czarnych dziur. Nie było jednak bezpośrednich dowodów obserwacyjnych na istnienie MAD, a mechanizmy powstawania MAD i transportu magnetycznego pozostały niejasne.

Oprócz supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach niemal każdej galaktyki, we wszechświecie istnieje również wiele czarnych dziur o masach gwiazdowych. Astronomowie odkryli czarne dziury o masach gwiazdowych w kilku układach podwójnych gwiazd w Drodze Mlecznej. Te czarne dziury mają zazwyczaj masę około dziesięciokrotnie większą od masy Słońca. Przez większość czasu te czarne dziury znajdują się w spoczynku, emitując bardzo słabe promieniowanie elektromagnetyczne. Czasami jednak przechodzą w okres zaostrzenia, który może trwać miesiącami, a nawet latami, wytwarzając jasne promieniowanie rentgenowskie. W rezultacie tego typu układy podwójne są często określane jako układy podwójne czarnych dziur.

W ramach tego badania naukowcy przeprowadzili analizę danych dotyczących różnych długości fal dotyczących eksplozji czarnej dziury w rentgenowskim układzie podwójnym MAXI J1820+070. Zaobserwowali, że emisja twardego promieniowania rentgenowskiego osiągnęła szczyt, po którym osiem dni później nastąpił szczyt emisji radiowej. Tak duże opóźnienie pomiędzy emisją radiową dżetu a twardym promieniowaniem rentgenowskim generowanym przez przepływ gorącej akrecji jest bezprecedensowe.

Obserwacje te wskazują, że słabe pole magnetyczne w zewnętrznym obszarze dysku akrecyjnego jest transportowane do wewnętrznego obszaru przez gorący gaz, a promieniowy zasięg strumienia gorącej akrecji szybko rośnie wraz ze spadkiem szybkości akrecji. Im większy promieniowy zasięg przepływu gorącej akrecji, tym większy wzrost pola magnetycznego. Powoduje to szybkie wzmocnienie pola magnetycznego w pobliżu czarnej dziury, co prowadzi do powstania MAD około ośmiu dni po szczycie emisji twardego promieniowania rentgenowskiego.

„Nasze badanie po raz pierwszy ujawnia proces przenoszenia pola magnetycznego w przepływie akrecyjnym oraz proces powstawania MAD w pobliżu czarnej dziury. Stanowi to bezpośredni dowód obserwacyjny na istnienie dysku zatrzymanego magnetycznie” – powiedział Asok. . Profesor Yu Bai, pierwszy autor i współautor badania.

Ponadto zespół badawczy zaobserwował bezprecedensowe opóźnienie (około 17 dni) pomiędzy emisją optyczną z zewnętrznego obszaru przepływu akrecyjnego a twardym promieniowaniem rentgenowskim z gorącego przepływu akrecyjnego. Dzięki numerycznej symulacji podwójnej eksplozji promieni rentgenowskich czarnej dziury odkryto, że gdy eksplozja zbliża się do końca, twarde napromieniowanie rentgenowskie powoduje, że więcej akreowanej materii z odległych obszarów spada w kierunku czarnej dziury z powodu niestabilności. Powoduje to poświatę optyczną w zewnętrznym obszarze strumienia akrecyjnego, przy czym szczyt występuje około 17 dni po piku twardego promieniowania rentgenowskiego wygenerowanego przez gorący strumień akrecji.

„Biorąc pod uwagę uniwersalność fizyki akrecji czarnych dziur, gdzie procesy akrecji czarnych dziur w różnych skalach mas podlegają tym samym prawom fizycznym, badania te pogłębią zrozumienie zagadnień naukowych związanych z powstawaniem pola magnetycznego na dużą skalę, energią dżetu i przyspieszeniem Profesor Cao Xinwu, współautor badania, powiedział: „Mechanizmy akrecji czarnych dziur o różnych skalach mas”.

Profesor Yan Chen, współautor badania, zauważył, że oczekuje się, że zjawiska podobne do tych obserwowanych w MAXI J1820+070 będą w najbliższej przyszłości obserwowane w bardziej masywnych układach czarnych dziur.