Черные дыры мерцают: разгадка в наклоненных аккреционных дисках?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В необъятных просторах Вселенной, где царствуют силы гравитации, черные дыры представляют собой квинтэссенцию космической мощи. Эти объекты обладают настолько высокой плотностью, что даже свет не в силах преодолеть их гравитационное притяжение. Однако, черные дыры не просто пассивные пожиратели материи. Вокруг них формируются аккреционные диски — вихревые структуры из раскаленного газа и пыли, которые, закручиваясь в смертельной спирали, неуклонно приближаются к горизонту событий черной дыры.


В большинстве случаев аккреционные диски вращаются в той же плоскости, что и сама черная дыра, словно подчиняясь некоему космическому порядку. Но что происходит, если эта упорядоченность нарушается? Что, если диск наклонен относительно оси вращения черной дыры? Этот вопрос, загадка, которую давно пытаются разгадать астрофизики, поскольку ответ на него может открыть новые грани понимания динамики черных дыр и их взаимодействия с окружающей средой.

Рентгеновский источник, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Именно этой загадке посвятили свое исследование японские астрофизики Юта Асахина и Кен Охсуга. Вооружившись мощными компьютерными инструментами, они провели трехмерное моделирование сверх-Эддингтоновского аккреционного диска, наклоненного относительно оси вращения черной дыры. Сверх-Эддингтоновский диск — это диск, светимость которого превосходит предел Эддингтона, теоретически максимальную светимость, которую может иметь звезда или аккреционный диск, прежде чем излучение начнет отталкивать падающую на него материю.

На левой панели показаны плотность (синий) и фактор Лоренца (оранжевый), приведенные к объему. На правой панели показано распределение плотности вблизи BH (белый заполненный круг).
Автор: Yuta Asahina and Ken Ohsuga 2024 ApJ 973 45 DOI 10.3847/1538-4357/ad6cd9 CC-BY 4.0 Источник: iopscience.iop.org

Результаты моделирования оказались нетривиальными и даже неожиданными. Диск, подобно гироскопу, ось которого смещена относительно вертикали, начал прецессировать — его ось вращения стала описывать конус вокруг оси вращения черной дыры. При этом форма диска оставалась относительно стабильной, но направление выброса вещества и излучения постоянно менялось, словно диск исполнял сложный космический танец.

Асахина и Охсуга обнаружили, что основная часть вещества выбрасывается не вдоль оси вращения черной дыры, а вдоль оси вращения внешней части диска. Прецессия диска становится причиной постоянного изменения направления выброса вещества, что, в свою очередь, приводит к вариациям направления излучения.

Профили лучевой скорости (слева) и плотности (справа) при t = 4,0 x 104 тг. Белым контуром показана фотосфера, измеренная от внешней границы.
Автор: Yuta Asahina and Ken Ohsuga 2024 ApJ 973 45 DOI 10.3847/1538-4357/ad6cd9 CC-BY 4.0 Источник: iopscience.iop.org

Ученые предполагают, что именно этот феномен может лежать в основе квазипериодических колебаний светимости, которые наблюдаются в некоторых ультраярких рентгеновских источниках. Эти колебания происходят с характерной частотой от 0,01 до 1 Гц, что соответствует периоду прецессии диска вокруг черной дыры с массой, эквивалентной 10 массам нашего Солнца.


Профили потока плотности кинетической энергии вытекающего потока при (a) t = 104 тг и (b) t = 4,0 x 104 тг в плоскости ϕ-θ. Профили усредненной по времени изотропной светимости при (c) t = 104 тг и (d) t = 4.0 x 104 тг. Они измерены при r = 800rg.
Автор: Yuta Asahina and Ken Ohsuga 2024 ApJ 973 45 DOI 10.3847/1538-4357/ad6cd9 CC-BY 4.0 Источник: iopscience.iop.org

Исследование Асахины и Охсуги открывает новые перспективы в изучении динамики аккреционных дисков вокруг черных дыр. Оно демонстрирует, что даже незначительные отклонения от космического порядка, в данном случае — наклон диска, могут приводить к необычным и неожиданным эффектам, влияющим на процессы аккреции и излучения энергии.

Дальнейшие исследования, включающие использование более мощных вычислительных ресурсов и более совершенных моделей, позволят получить более детальное представление о динамике сверх-Эддингтоновских дисков и их роли в эволюции черных дыр и галактик в целом.

Возможно, именно эти «танцующие диски» станут ключом к разгадке многих загадок Вселенной, помогая нам лучше понять процессы, происходящие в самых экстремальных условиях космоса.

Читайте также

Новости

Публикации