Ученые объяснили механизм заряжания джетов в черных дырах

Галактики, в том числе наш Млечный Путь, в своих центрах имеют сверхмассивные черные дыры, чьи массы в миллионы и миллиарды раз больше, чем у Солнца. Некоторые сверхмассивные черные дыры испускают быстро движущиеся потоки плазмы, излучающие сильные радиосигналы, известные как “радиоджеты”.

Радиоджеты были впервые обнаружены в 1970-х годах. Но многие вопросы о том, как они образуются, остаются без ответа. И особенно – об источнике их энергии и механизме заряжания плазмы.

Недавно ученые проекта Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope) представили радиоизображения ближайшей черной дыры в центре гигантской эллиптической галактики M87. Наблюдение подтвердило теорию о том, что вращение черной дыры приводит в действие радиоджеты, но мало прояснило механизм заряжания плазмы.

Теперь исследовательская группа, возглавляемая астрофизиками из Университета Тохоку, предложила многообещающий сценарий, который проясняет механизм заряжания.

Недавние исследования показали, что черные дыры сильно намагничены, потому что намагниченная плазма внутри галактик переносит магнитные поля в черную дыру. Затем соседняя магнитная энергия кратковременно высвобождается через магнитное пересоединение, возбуждая плазму, окружающую черную дыру. Это магнитное пересоединение обеспечивает источник энергии для солнечных вспышек.

Плазма в солнечных вспышках испускает ультрафиолетовое и рентгеновское излучение; тогда как магнитное пересоединение вокруг черной дыры может вызвать гамма-излучение, поскольку высвобождаемая энергия на одну частицу плазмы намного выше, чем при солнечной вспышке.

Новый сценарий предполагает, что испускаемые гамма-лучи взаимодействуют друг с другом и производят большое количество электронно-позитронных пар, которые и “заряжаются” в радиоструи.

Это объясняет большое количество плазмы, наблюдаемое в радиоджетах, что согласуется с наблюдениями M87. Кроме того, в сценарии отмечается, что мощность радиосигнала варьируется от черной дыры к черной дыре. Например, радиоджеты вокруг Sgr A* — сверхмассивной черной дыры в нашем Млечном Пути — слишком слабы и не обнаруживаются современными средствами радиосвязи.

Также сценарий предсказывает кратковременное рентгеновское излучение при заряжании плазмы в радиоструи. Эти рентгеновские сигналы пропускаются современными детекторами рентгеновского излучения, но их можно будет наблюдать новыми детекторами рентгеновского излучения в будущем.

Подробности исследований Шигео Кимуры (Shigeo Kimura) и его команды были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters 29 сентября 2022 года.

Источник: Shigeo S. Kimura et al, Magnetic Reconnection in Black Hole Magnetospheres: Lepton Loading into Jets, Superluminal Radio Blobs, and Multiwavelength Flares, The Astrophysical Journal Letters (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac8d5a