Ученые установили структуру джета черной дыры радиогалактики М87

Анализ джета радиогалактики М87 — выбрасываемой струи плазмы из окрестности массивной черной дыры, выполнила по данным радионаблюдений высокого разрешения международная команда исследователей, в которую вошли ученые Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ), 29 февраля сообщает журнал МФТИ «За науку».

Исследование позволило установить внутреннюю структуру джета и визуально продемонстрировать, что в ней преобладают три спиральные нити, которые, по предположениям астрофизиков, возникают как результат неустойчивости Кельвина — Гельмгольца, развивающейся в сверхзвуковом потоке, когда в нем присутствуют контактирующие среды, имеющие достаточную разность скоростей.

Результаты проделанной работы команда представила в статье «Свойства струи в M87, выявленные по ее спиральной структуре, отображенной с помощью VLBA на частотах 8 и 15 ГГц», опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Полученные данные помогают понять суть влияния сверхмассивных черных дыр на джеты.

M87 представляет собой сверхгигантскую эллиптическую галактику в созвездии Девы. В ее центре находится сверхмассивная (в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца) черная дыра.

Затягивая в себя окружающее вещество галактики, черная дыра становится мощным источником излучения с выделением большого количества энергии. При этом часть падающего на черную дыру вещества выбрасывается из нее в виде джетов, простирающихся на 4900 световых лет.

Наблюдения за джетом М87 велось в мае 2009 года в течение трех дней с помощью радиоинтерферометра VLBA (Very Long Baseline Array), представляющего собой десять 25-метровых антенн, максимальное расстояние между которыми составляет 8611 км, и одной 25-метровой антенны радиоинтерферометра VLA, а также 100-метрового телескопа Эффельсберга.

Динамический диапазон изображений, полученный с помощью многочастотных наблюдений высокого разрешения, позволил зафиксировать и более слабое излучение контрджета.

Дело в том, что одновременно вдоль оси вращения сверхмассивной черной дыры формируются два биполярных противонаправленных джета. Но поскольку на Земле ученые видят активную галактику наклоненной под малым углом к лучу зрения, то направленное от земли излучение от джета практически полностью подавляется, и видимым остается только один джет. Тем не менее на изображениях некоторых галактик контрджет можно разглядеть, в их число входит и М87.

Старший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ Евгения Кравченко пояснила:

«Мы взяли для анализа уникальные наблюдения, проведенные в течение трех дней еще в 2009 году, но только сейчас доступные расчетные мощности позволили их обработать. Наблюдения проводились самыми мощными телескопами, и за счет очень высокого динамического диапазона мы получили четкое радиоизображение струи джета и увидели минимально слабый поток в деталях».

Она отметила, что из-за относительной близости к Земле и сверхмассивной черной дыры в ее центре, галактика M87 стала одной из самых наблюдаемых объектов в Космосе. Наблюдая за ней, ученые смогли изучить этот загадочный объект Вселенной. Причем не только тень от черной дыры, но и струю джета, видную под углом 18 °.

«Сам джет хорошо светит в радиодиапазоне за счет течения плазмы по магнитным силовым линиям со скоростью, близкой к скорости света, что позволяет нам строить его наглядные радиоизображения», — сообщила Евгения Кравченко.

Ученые увидели на полученных изображениях неоднородную структуру джета там, где происходит его активная коллимация (разделение на струи) и ускорение. Структура похожа на косу, сплетенную из спиральных волокон в твидовый узор.

Моделирование структуры показало, что закручивание центральных волокон плазменной струи происходит из-за нестабильностей Кельвина — Гельмгольца, как и в некоторых внегалактических струях. Но поскольку там влияние на плазму струи сверхмассивной черной дыры и магнитного поля значительно слабее, то закручивание происходит в намного больших масштабах.

В своем исследовании астрофизики показали, что зафиксированная ими структура волокон джета может быть обусловлена физическими процессами, протекающими в непосредственной близости от черной дыры.

«На струю джета сильное влияние оказывает не только сама черная дыра, но и аккреционный диск. Скорость падения вещества галактики на черную дыру порядка скорости света, и из-за большого углового момента вещество не может напрямую падать в дыру, а образует при падении плоский диск. Мы можем наблюдать подобную картину, если направим сильную струю воды из крана в раковину. Около слива она растекается и образует спираль и только затем вытекает. Здесь так же — в диске создается спиральное вращение вещества», — продолжила свое объяснение Евгения Кравченко.

Закручивание материи черной дыры и аккреционного диска вызывает закручивание магнитного поля, принимающего спиралевидную форму. В случае небольшого наклона оси вращения аккреционного диска относительно оси вращения сверхмассивной черной дыры это может оказывать влияние на джет, например, вызывать его прецессию (изменение направления выброса) и создавать в нем плазменные неоднородности, которые можно наблюдать и в струе в М87.

На снимках галактики заметно усиление яркости излучения к краю струи. Это можно объяснить или разницей между скоростями, плотностями и энергиями потока плазмы в центре и по краям джета, или же крупномасштабным спиральным магнитным полем. Но пока эти вопросы, как и состав струи, и механизмы генерации излучения в ней, остаются открытыми.