Международная научная группа впервые выявила процессы переноса магнитного поля в аккреционном потоке черной дыры и образование «MAD» — магнитно-задержанного диска — вблизи черной дыры. Исследователи сделали это открытие во время проведения многоволновых наблюдательных исследований вспышки рентгеновской двойной черной дыры MAXI J1820+070 с использованием Insight-HXMT, первого китайского рентгеновского астрономического спутника, а также нескольких телескопов. Ключом к их открытию стало наблюдение, что радиоизлучение струи черной дыры и оптическое излучение из внешней области аккреционного потока отстают от жесткого рентгеновского излучения горячего газа во внутренней области аккреционного потока (т.е. горячий аккреционный поток) примерно на восемь и 17 дней соответственно. Эти результаты были опубликованы в журнале Science 31 августа. Исследование возглавил доц. Профессор Ю Бэй из Уханьского университета, профессор Цао Синьу из Чжэцзянского университета и профессор Ян Чжэнь из Шанхайской астрономической обсерватории (ШАО) Китайской академии наук.
Процесс захвата газа черной дырой известен как «аккреция», а газ, попадающий в черную дыру, называется аккреционным потоком. Вязкие процессы внутри аккреционного потока эффективно высвобождают гравитационную потенциальную энергию, часть которой преобразуется в многоволновое излучение. Это излучение можно наблюдать с помощью наземных и космических телескопов, что позволяет нам «увидеть» черную дыру. Однако вокруг черной дыры существуют «невидимые» магнитные поля. Поскольку черная дыра аккумулирует газ, она также притягивает магнитное поле внутрь. Предыдущие теории предполагали, что, поскольку аккрецирующий газ постоянно создает слабые внешние магнитные поля, магнитное поле постепенно усиливается по направлению к внутренней области аккреционного потока. Внешняя магнитная сила, действующая на аккреционный поток, увеличивается и противодействует внутреннему гравитационному притяжению черной дыры. Поэтому во внутренней области аккреционного потока вблизи черной дыры, когда магнитное поле достигает определенной силы, аккрецированное вещество оказывается захваченным магнитным полем и не может свободно упасть в черную дыру. Это явление известно как магнитно-задержанный диск.
Теория MAD была предложена много лет назад и успешно объяснила некоторые наблюдательные явления, связанные с аккрецией черных дыр. Однако прямых наблюдательных доказательств существования MAD не было, а механизмы образования MAD и магнитного транспорта оставались загадкой. Помимо сверхмассивных черных дыр в центрах почти каждой галактики, во Вселенной существует еще множество черных дыр звездной массы. Астрономы обнаружили черные дыры звездной массы во многих двойных звездных системах Млечного Пути. Эти черные дыры обычно имеют массу примерно в десять раз больше солнечной. Большую часть времени эти черные дыры находятся в состоянии покоя, испуская чрезвычайно слабое электромагнитное излучение. Однако иногда они вступают в период вспышек, которые могут длиться несколько месяцев или даже лет, производя яркие рентгеновские лучи. В результате эти типы двойных звездных систем часто называют рентгеновскими двойными черными дырами. В этом исследовании исследователи провели многоволновой анализ данных о вспышке рентгеновской двойной черной дыры MAXI J1820+070. Они заметили, что жесткое рентгеновское излучение имело пик, за которым через восемь дней последовал пик радиоизлучения. Такая большая задержка между радиоизлучением джета и жестким рентгеновским излучением горячего аккреционного потока беспрецедентна.
Эти наблюдения показывают, что слабое магнитное поле во внешней области аккреционного диска переносится во внутреннюю область горячим газом, и радиальная протяженность горячего аккреционного потока быстро расширяется по мере уменьшения скорости аккреции. Чем больше радиальная протяженность горячего аккреционного потока, тем больше увеличение магнитного поля. Это приводит к быстрому усилению магнитного поля вблизи черной дыры, что приводит к образованию MAD примерно через восемь дней после пика жесткого рентгеновского излучения. "Наше исследование впервые раскрывает процесс переноса магнитного поля в аккреционном потоке и процесс формирования MAD в окрестностях черной дыры. Это представляет собой прямое наблюдательное свидетельство существования магнитно-задержанного диска", - сказал доц. . Профессор Ю Бэй, первый автор и соавтор исследования.
Кроме того, исследовательская группа наблюдала беспрецедентную задержку (около 17 дней) между оптическим излучением из внешней области аккреционного потока и жестким рентгеновским излучением горячего аккреционного потока. Путем численного моделирования вспышки рентгеновской двойной черной дыры было обнаружено, что по мере приближения вспышки к концу облучение жесткими рентгеновскими лучами приводит к тому, что все больше аккрецирующего материала из дальней внешней области падает в сторону черной дыры из-за нестабильность. Это приводит к оптической вспышке во внешней области аккреционного потока, пик которой приходится примерно на 17 дней после пика жесткого рентгеновского излучения горячего аккреционного потока. «Благодаря универсальности физики аккреции черных дыр, где процессы аккреции черных дыр разного масштаба массы следуют одним и тем же физическим законам, это исследование будет способствовать пониманию научных вопросов, связанных с крупномасштабным формированием магнитного поля, реактивной энергией и ускорением. механизмы аккреции черных дыр разного масштаба массы», — сказал профессор Цао Синьу, соавтор исследования. Ожидается, что в ближайшем будущем явления, аналогичные наблюдаемым в MAXI J1820+070, будут наблюдаться и в более аккрецирующих системах черных дыр, отметил профессор Ян Чжэнь, соавтор исследования.
