Триумф ОТО: данные наблюдений MAXI J1820+070 доказывают правоту Эйнштейна о черных дырах

Черные дыры, одни из самых загадочных объектов во Вселенной, пленят наше воображение своей гравитационной мощью и тайнами, скрывающимися за их горизонтом событий. Долгое время астрономы полагали, что единственным способом изучения этих объектов является наблюдение за излучением аккреционного диска, вращающегося вокруг черной дыры. Но что, если мы можем заглянуть за грань, за пределы стабильного диска, и изучить излучение материи, падающей в черную дыру?

Пределы классической модели: излучение из области падения

Классические модели аккреции на черные дыры, основанные на теории тонких дисков, пренебрегают излучением, источником которого является область падения, расположенная внутри последней стабильной круговой орбиты (ПСКО). ПСКО — это граница, за которой материя неумолимо падает в черную дыру, не имея возможности вращаться по стабильным орбитам. Предполагается, что на ПСКО напряжение в диске исчезает, что приводит к нулевой температуре и отсутствию излучения из области падения.

Однако, современные численные модели, основанные на общей теории относительности и магнитогидродинамике (GRMHD), демонстрируют, что температура и излучение в области падения не равны нулю. Это связано с магнитными напряжениями, которые связывают стабильную часть диска с падающей материей.

Новый взгляд на старую проблему: аналитическая модель падающей материи

Недавние исследования позволили создать аналитическую модель, описывающую термодинамику диска внутри ПСКО. Эта модель, разработанная Маммери и Балбусом, основывается на кинематике тестовых частиц в метрике Керра и учитывает два основных фактора: радиальное растяжение падающей материи и ее вертикальное сжатие под действием гравитации черной дыры. Важным аспектом модели является предположение о том, что падающая материя остается оптически толстой для рассеяния фотонов, что позволяет определить локальный радиационный поток на основе термодинамических параметров диска.

За гранью черной дыры: экстремальное «затвердевание» спектра

Моделирование показало, что излучение из области падения характеризуется экстремальным «затвердеванием» спектра, что означает, что энергия фотонов, испускаемых этой областью, значительно выше, чем предсказывает классическая теория. Это связано с явлением «фотонного голодания».

Внутри ПСКО, несмотря на высокую температуру, плотность падающей материи быстро уменьшается, что приводит к снижению числа фотонов, рождающихся в процессе свободного-свободного излучения. В результате каждый испускаемый фотон вынужден нести большую энергию, чтобы сбалансировать общий энергетический бюджет.

MAXI J1820: первое надежное доказательство

Одним из самых ярких примеров наблюдаемого влияния излучения из области падения является рентгеновская двойная система MAXI J1820. Предыдущие попытки моделирования ее спектра с использованием классических моделей, обрывающихся на ПСКО, не могли объяснить наличие дополнительного высокотемпературного излучения. В результате астрофизикам приходилось вводить дополнительные феноменологические компоненты, не имеющие физического обоснования.

В данной работе мы показали, что учет излучения из области падения в модели fullkerr позволяет получить превосходное соответствие данным наблюдений MAXI J1820, исключая необходимость в дополнительных компонентах.

Что говорит о черной дыре MAXI J1820 излучение из области падения?

Детекция излучения из области падения позволяет наложить ограничения на спин черной дыры MAXI J1820. Анализ показал, что спин должен быть относительно низким, a • ≤ 0.52, чтобы область падения была достаточно большой для формирования наблюдаемого высокотемпературного компонента.

Это открытие подтверждает результаты моделирования отраженного излучения в жестком состоянии, которые также указывают на низкий спин черной дыры MAXI J1820.

Новый инструмент для исследования черных дыр

Моделирование излучения из области падения предоставляет новый мощный инструмент для изучения черных дыр, позволяющий получать более точные оценки их параметров, таких как масса, спин и аккреционный поток.

Эта работа — только начало. Дальнейшие исследования, в том числе изучение рентгеновских двойных систем с низким спином и большими углами наклона, помогут расширить наше понимание аккреции на черные дыры и глубже проникнуть в тайны этих удивительных объектов.

В статье утверждается, что излучение из области падения материи в черную дыру можно использовать для ограничения спина черной дыры. Как это возможно, если само излучение из этой области сильно зависит от еще одного плохо изученного параметра — напряжения на ПСКО (δJ)*?

Это действительно сложный вопрос. Несмотря на то, что излучение из области падения зависит от δJ*, сам факт его наличия и характеристики, такие как форма спектра и относительная яркость, зависят от размера области падения, которая, в свою очередь, напрямую определяется спином черной дыры. Чем больше спин, тем ближе ПСКО к горизонту событий, и тем меньше область падения.

Для черных дыр с высоким спином, область падения настолько мала, что её вклад в общий спектр становится незначительным. Следовательно, если мы наблюдаем высокотемпературный компонент, характерный для излучения из области падения, это указывает на то, что спин черной дыры не может быть слишком большим.

«Фотонное голодание» — интригующий термин, но как именно недостаток фотонов приводит к «затвердеванию» спектра?

«Затвердевание» спектра — это повышение энергии фотонов, испускаемых падающей материей, по сравнению с предсказаниями классической теории. В области падения, где плотность вещества падает, снижается и количество фотонов, рождаемых в стандартных процессах, таких как свободно-свободное излучение.

Но энергия, выделяемая падающей материей, должна быть излучена. При недостатке фотонов, каждый испускаемый фотон вынужден нести большую порцию энергии, чтобы скомпенсировать дефицит. В результате спектр излучения «смещается» в сторону более высоких энергий, становясь «жестче».

В статье упоминается, что область падения может быть источником не только теплового излучения, но и излучения с power-law спектром. Как это возможно, если падающая материя оптически толстая для рассеяния и, казалось бы, должна излучать как черное тело?

Действительно, оптически толстая среда обычно излучает как черное тело. Однако, в случае области падения ситуация усложняется «фотонным голоданием». По мере приближения к горизонту событий степень «голодания» увеличивается, и каждый последующий слой падающей материи излучает фотоны с все более высокой энергией.

Если суммировать излучение всех слоев, получится спектр, который может быть аппроксимирован power-law функцией, хотя каждый отдельный слой излучает как черное тело. Важно подчеркнуть, что этот power-law спектр возникает не из-за каких-либо нетепловых процессов, а как результат сложной комбинации тепловых излучений с разной энергией.