Черная дыра в системе MAXI J1820 + 070 выбрасывает материал в космос

Астрономы обнаружили черную дыру, швыряющую горячий материал в космос со скоростью, близкой к скорости света. Эта вспышка была запечатлена рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА. Черная дыра и ее спутник составляют систему MAXI J1820 + 070, расположенную в нашей галактике на расстоянии около 10 000 световых лет от Земли. Черная дыра в MAXI J1820 + 070 имеет массу, примерно в восемь раз превышающую массу Солнца, идентифицируя ее как так называемую черную дыру звездной массы, образованную в результате разрушения массивной звезды. (Это в отличие от сверхмассивных черных дыр, которые в миллионы или миллиарды раз превышают массу Солнца.) Звезда - спутник, вращающийся вокруг черной дыры, имеет массу около половины массы Солнца. Сильная гравитация черной дыры вытягивает материал от звезды-компаньона в диск, окружающий черную дыру. В то время как часть горячего газа в диске пересечет «горизонт событий» (точка невозврата) и упадет в черную дыру, другая часть его материала оторвется от черной дыры в паре коротких пучков материала или джетов. Эти струи направлены в противоположные стороны и запускаются извне горизонта событий вдоль линий магнитного поля. Насколько быстро движутся материальные струи от черной дыры? С точки зрения Земли это выглядит так, как будто северная струя движется со скоростью 60% от скорости света, а южная - с невероятной 160% скорости света!

Это пример сверхсветового движения, явления, которое происходит, когда что-то движется к нам со скоростью света вдоль направления, близкого к нашей линии обзора. Это означает, что объект движется к нам почти так же быстро, как и свет, который он генерирует, создавая иллюзию, что движение струи происходит быстрее, чем скорость света. В случае MAXI J1820 + 070 южная струя направлена ​​на нас, а северная струя направлена ​​от нас, поэтому южная струя движется быстрее северной. Фактическая скорость частиц в обеих струях превышает 80% скорости света.

MAXI J1820 + 070 также наблюдался на радиоволнах командой во главе с Джо Брайтом из Оксфордского университета, который ранее сообщал об обнаружении сверхсветового движения компактных источников на основе одних только радиоданных.

Поскольку наблюдения Чандры примерно вдвое увеличивали продолжительность наблюдения за джетами, объединенный анализ радиоданных и новых данных от Чандры дал больше информации о джетах. Это включало свидетельство того, что джеты замедляются по мере удаления от черной дыры.

Большая часть энергии в струях не преобразуется в излучение, а вместо этого выделяется, когда частицы в струях взаимодействуют с окружающим материалом. Эти взаимодействия могут быть причиной замедления джетов. Когда струи сталкиваются с окружающим материалом в межзвездном пространстве, возникают ударные волны - похожие на звуковые удары, вызванные сверхзвуковым самолетом. Этот процесс генерирует энергии частиц, которые выше, чем у Большого адронного коллайдера.

Исследователи подсчитали, что около 180 тысяч миллиардов тонн материала было выброшено черной дырой в этих двух струях, запущенных в июле 2018 года. Это количество массы сопоставимо с тем, что может быть накоплено на диске вокруг черной дыры в пространстве за несколько часов, и это эквивалентно примерно тысяче комет Галлея.

Исследования MAXI J1820 + 070 и подобных систем обещают рассказать нам больше о струях, создаваемых черными дырами звездной массы, и о том, как они выделяют свою энергию, когда их струи взаимодействуют с окружающей средой.

Under pressure, black holes feast

A new, Yale-led study shows that some supermassive black holes actually thrive under pressure. It has been known for some time that when distant galaxies --and the supermassive black holes within their cores - aggregate into clusters, these clusters create a volatile, highly pressurized environment. Individual galaxies falling into clusters are often deformed during the process and begin to resemble cosmic jellyfish. Curiously, the intense pressure squelches the creation of new stars in these galaxies and eventually shuts off normal black hole feeding on nearby interstellar gas. But not before allowing the black holes one final feast of gas clouds and the occasional star. The researchers also suggested this rapid feeding might be responsible for the eventual lack of new stars in those environments. The research team said "outflows" of gas, driven by the black holes, might be shutting off star formation. "We know that the feeding habits of central supermassive black holes and the formation of stars in the host galaxy are intricately related. Understanding precisely how they operate in different larger-scale environments has been a challenge. Our study has revealed this complex interplay," said astrophysicist Priyamvada Natarajan, whose team initiated the research. Natarajan is a professor of astronomy and physics in Yale's Faculty of Arts and Sciences. The study is published in the Astrophysical Journal Letters. The first author is Angelo Ricarte, a former member of Natarajan's lab now at Harvard, who started this work as a Yale doctoral student. Co-authors are Yale Center for Astronomy and Astrophysics Prize postdoctoral associate Michael Tremmel and Thomas Quinn of the University of Washington.

The new study adds to a significant body of work from Natarajan's research group regarding how supermassive black holes form, grow, and interact with their host galaxies in various cosmic environments.

The researchers conducted sophisticated simulations of black holes within galaxy clusters using RomulusC, a cosmological simulation that Tremmel, Quinn and others developed.

Ricarte developed new tools for extracting information from RomulusC. While analyzing black hole activity in the cluster simulation, he said, he noticed "something weird happening once their host galaxies stopped forming stars. Surprisingly, I often spotted a peak in black hole activity at the same time that the galaxy died."

That "peak" would be the black hole's big, final feast, under pressure.

Tremmel said that "RomulusC is unique because of its exquisite resolution and the detailed way in which it treats supermassive black holes and their environments, allowing us to track their growth."