Фундаментальный прорыв в изучении черных дыр и джетов сделали российские ученые

Исследователи из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московского физико-технического института и Крымской астрофизической обсерватории РАН предложили новое понимание природы джетов — струй плазмы, которые на скорости, близкой к световой, вырываются из сверхмассивных черных дыр в центре некоторых галактик. Статья с результатами исследований опубликована в журнале Monthly Notices of Royal Astronomical Society, сообщает РАН.

По современным представлениям, джеты образуются, когда вещество из звезд или газовых облаков устремляется в гравитационную яму сверхмассивной черной дыры в центре галактики. При этом материя образует дискообразную структуру — так называемый аккреционный диск. Взаимодействие этой массы и магнитного поля черной дыры порождает мощный выброс, который в виде узкой струи устремляется в космос. Длина такого выброса достигает сотен и тысяч световых лет.

На основе наблюдений, сделанных современными космическими телескопами, исследователи предложили новаторский подход к определению физический параметров активности этих объектов. Причем оказалось, что выдвинутая гипотеза хорошо сочетается с другими знаниями об этих космических объектах и укладывается в математические уравнения.

«Раньше предполагали, что джет имеет коническую форму, расширяясь по мере удаления от своего ядра-основания. Причем считалось, что плазма в джете разогнана в начале до максимальной скорости и на всем его протяжении распространяется равномерно. Однако мы показали, что, наоборот, джет имеет форму параболы, а вещество в нем не движется равномерно, а разгоняется на каждом этапе пути. Эти данные существенно противоречат общепринятому методу оценки магнитного поля в джетах. В нашей новой работе мы предложили новый метод определения магнитного поля в джетах», — объяснила суть новых предположений Елена Нохрина, старший научный сотрудник Лаборатории проблем физики космоса ФИАН, заведующая лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.

Она отметила, что новые данные позволили усовершенствовать способ расчета свойств джетов — так называемый метод сдвига ядра. Он заключается в том, что основание джета, если смотреть на него в радиодиапазоне, как правило, смещено от своего истинного положения. При этом, в зависимости от частоты радиоволн, это видимое положение меняется. Новаторская модель джета, заложенная в традиционную методику расчета, позволила ученым с высокой точностью определить энергию магнитного поля ряда сверхмассивных черных дыр, из которых вырываются джеты.

Как считают авторы работы, предложенная модель не только поможет в изучении сверхмассивных черных дыр и их джетов, но также даст возможность открыть новые экзотические объекты, которые в настоящее время существуют в виде гипотез.

«В частности, известно, что скопления вещества в аккреционном диске вокруг черной дыры не могут образовать магнитные поля с энергией более 104 гаусс. Значит, усовершенствованный нами метод сдвига можно использовать как индикатор. Если мы зафиксируем объекты с энергией магнитного поля, которая превышает этот уровень, то можем предположить наличие новых, неизвестных прежде форм пространства-времени», — пояснила Елена Нохрина.

Например, благодаря более точному пониманию природы джета астрофизики получат новый инструмент для поиска в космосе таких высокоэнергетических объектов, как «кротовые норы». Это гипотетические «тоннели», которые из-за неравномерности пространства-времени могут напрямую соединять удаленные точки Вселенной. Другой тип объектов, неизвестных науке, которые можно обнаружить, используя предложенные модели, — это кварковые звезды. Так астрофизики называют гипотетические массивы в космосе, которые состоят не из атомов, а из кварков — самых элементарных «кирпичиков» материи.

В ближайшей перспективе новая модель джетов может быть полезна при подготовке научной программы российской космической обсерватории «Спектр-М», запуск которой запланирован в начале 2030 годов. Одна из задач этой миссии — поиск «кротовых нор» в квазарах.