Новий вимір миттєвої потужності струменя чорної діри

Протягом 18 років досліджень у сфері радіоіміджування з високою роздільною здатністю, команда вчених виявила кривизну струменя чорної діри Cygnus X-1, викликану зоряним вітром від супутникової зірки в бінарній системі. Моделюючи взаємодії струменя та вітру, вони вперше визначили миттєву кінетичну потужність струменя, що дозволяє порівняти її з середньою потужністю, яка раніше була єдиною доступною величиною. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Astronomy.

Вивчення впливу акреції надмасивних чорних дір на еволюцію галактик та космічних структур є однією з основних мотивацій для дослідження релятивістських струменів. Струмені створюють великомасштабні удари, забруднюють міжзоряний газ магнітними полями та космічними променями, а також формують великомасштабну турбулентність. Однак існує істотна проблема в моделюванні кінетичної реакції, що викликана відсутністю миттєвих вимірів потужності струменя, які могли б вказати на частку енергії, що акредитується, яка перетворюється на кінетичну енергію струменя.

Для уточнення цієї реакції астрофізики завжди спиралися на оцінки середньої потужності струменя, які отримували шляхом калориметрії бульбашок, що надуваються струменем. Це передбачає усереднення загальної кінетичної потужності, що випромінюється струменем, протягом усього його існування, яке значно перевищує часову шкалу варіабельності потоку акреції. Через цю часову затримку калориметричні вимірювання не дозволяють точно калібрувати ефективність миттєвої кінетичної реакції чорних дір, що є ключовим параметром для моделей формування великих структур.

Бінарні системи з чорними дірами надають унікальну можливість виміряти миттєву потужність струменя завдяки теоретично передбаченим взаємодіям між зоряним вітром супутникової зірки та струменями. У таких системах чорна діра акредитує матерію з потужного зоряного вітру своєї масивної супутникової зірки. Струмені, що випромінюються чорними дірами, повинні проходити через цей вітер, що може відхиляти струмені, формуючи спіральну траєкторію.

Система Cygnus X-1, розташована на відстані 2,22 кпк, містить чорну діру масою 21,2 ± 2,2 M⊙, яка обертається навколо супутникової зірки типу O масою 40,6 M⊙ з періодом 5,6 днів. Чорна діра живиться зоряним вітром зірки, чия швидкість втрати маси становить (2,57 ± 0,05) × 10⁻⁶ M⊙ на рік. Струмені, що стабільно випромінюються поблизу чорної діри, можуть бути розділені завдяки спостереженням з високою роздільною здатністю, здійсненим за допомогою дуже довгої базової інтерферометрії (VLBI).

Перші спостереження VLBI Cygnus X-1 були проведені наприкінці 1990-х років, але виявили лише струмені, що наближаються до нас, посилені ефектом Доплера. Під час більш чутливих спостережень у 2016 році вдалося вперше виявити струмені, що віддаляються від нас. Виміряна низька ексцентриситетність бінарної системи (e = 0,019 ± 0,003) та її низька просторові швидкість свідчать про те, що початковий імпульс при формуванні чорної діри був відносно слабким, тому вісь струменя повинна бути добре вирівняна з орбітою бінарної системи.

Проте нещодавні дослідження виявили суттєве невирівнювання між віссю струменя та вектором орбітального моменту. Калориметрія Cygnus X-1 була використана для встановлення багатьох масштабних відносин чорних дір, що походять з спостережень, зокрема потужності струменя у співвідношенні до радіолюмінесценції.

Дослідники, на чолі з С. Прабу (Університет Кертін, Перт, Австралія), повторно проаналізували дані 2016 року. Їхній аналіз індивідуальних зображень VLBA та EVN показав, що кути положення струменів, що наближаються та віддаляються, змінюються в залежності від орбітальної фази. Вони підтвердили, використовуючи архівні дані, що зміна кута положення струменя, що наближається, була відтворювана, з відхиленнями, що залежали від орбітальної фази.

Крім того, незалежний аналіз струменя показав, що струмені, що наближаються та віддаляються, вигинаються в різні сторони, відхиляючись від положення зірки-донора. Різниця в кутах положення струменів не може бути пояснена лише простим процесом прецесії осі струменя, але природно виникає в сценарії, де струмені відхиляються під впливом зоряного вітру.

Прабу та його колеги розглянули аналітичну модель кривизни струменя, викликаної вітром, що балансує потік кількості руху вітру з бічним потоком струменя. Це дозволяє передбачити загальну спіральну структуру струменя. Завдяки одночасному підстроюванню шести етапів спостережень VLBA 2016 року вдалося вперше отримати миттєву потужність струменя в чорній дірі, що акредитується, а також швидкість струменя.

Під час дослідження було виявлено, що чорна діра Cygnus X-1, ймовірно, утворилася внаслідок безпосереднього колапсу дуже масивної зірки, і в разі відсутності імпульсу наднової, вісь обертання чорної діри повинна бути добре вирівняна з її орбітальним моментом. Проте нещодавнє виявлення сильної поляризації рентгенівських променів, випромінюваних системою, вказує на значне невирівнювання в 18° вздовж лінії зору.

Дослідники також вивчили вплив цього невирівнювання на обчислені траєкторії струменів. У разі наявності невирівняного струменя очікуються асиметричні взаємодії вітру та струменя, що не є баллістичними. Незалежно від геометрії невирівнювання, струмені, що наближаються, поширюватимуться до зірки (де вітер більш щільний), тоді як струмені, що віддаляються, робитимуть це через піворбіту пізніше.

Незважаючи на те, що дослідники не спостерігали цього явища, вони все ж налаштували траєкторії струменів з урахуванням невирівнювання та змогли визначити потужність струменя: 10³⁷.³ ерг/с, швидкість струменя: 68% від швидкості світла, та оптимальне невирівнювання 5.2°. Однак, щоб врахувати можливі систематичні помилки, пов'язані з усередненням траєкторій струменя, дослідники встановили консервативний верхній межу 8.2° на невирівнювання між струменем і бінарною системою.

Таке мале невирівнювання струменя та орбіти свідчить про те, що потрібні інші пояснення для сильної поляризації рентгенівських променів, спостережуваної IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), такі як наявність релятивістського потоку в короні. Відхилення радіохвиль можуть бути пояснені спіральною структурою струменя, створеною його кривизною та орбітальним рухом чорної діри. Це невелике невирівнювання також узгоджується з низькою ексцентриситетністю та низькою швидкістю системи, а також з теоретичними прогнозами щодо формування настільки масивних чорних дір.

Дослідники підкреслюють, що оцінки потужності струменя, отримані з трьох фізичних моделей, узгоджуються між собою на рівні 1 σ і є відносно нечутливими до невизначеностей швидкості втрати маси зоряного вітру. Проте Прабу та його команда надають перевагу оцінці потужності струменя з моделі, яка допускає як невирівнювання, так і не конічну геометрію струменя. Ця модель, яка базується на найменшій кількості припущень, свідчить про те, що за час існування бінарної системи Cygnus X-1, яка триває кілька мільйонів років, загальна кінетична реакція струменів становитиме кілька разів 10⁵⁰ ерг, що порівнянно з реакцією наднової.

Виміряна миттєва потужність струменів, за словами дослідників, чудово узгоджується з середньою потужністю струменів, яка становить 4 до 14 × 10³⁶ ерг/с для Cygnus X-1, отриманою за допомогою калориметрії. Вражаюча схожість між болометричною яскравістю жорстких рентгенівських променів Cygnus X-1 та виміром потужності струменя підтверджує загальноприйняті відношення перетворення акреції в енергію струменя, які використовуються в типових симуляціях формування галактик.

Завдяки точному та миттєвому вимірюванню потужності струменів Cygnus X-1, дослідники підтвердили застосування калориметрії, що використовувалася раніше для калібрування частки енергії акреції, яка перетворюється на кінетичну енергію струменів. Сильна відповідність між миттєвими та середніми потужностями струменів свідчить про стабільність струменів, які виробляються за допомогою неефективних жорстких рентгенівських потоків. Це підвищує впевненість у більш широкій застосовності калориметричних технік для оцінки потужності струменів у інших системах чорних дір, включаючи активні ядра галактик, незалежно від їх специфічного режиму акреції.

Це нове вимірювання миттєвої частки перетворення енергії акреції на енергію струменів також міцно підкріплює енергетичний баланс, який був припущений для чорних дір в акреції в космологічних симуляціях великого масштабу.