С тех пор, как были обнаружены первые черные дыры, одной из величайших загадок оставалось понимание их непосредственного окружения и характеристик областей, которые их окружают. Одна из этих областей, называемая короной, представляет собой область чрезвычайно горячей плазмы, испускающей излучение в виде рентгеновских лучей. До сих пор структура этих корон была малоизвестна. Однако новое исследование позволило составить карту формы короны черной дыры с помощью методов рентгеновской поляриметрии, что представляет собой значительный прогресс в астрофизике. Там нет ничего общего с дырами в солнечной короне.
В недавней статье, опубликованной в «The Astrophysical Journal», обсуждаются наблюдения, сделанные с помощью рентгеновского поляриметрического обозревателя (IXPE). В этом исследовании сравнивались звездные и сверхмассивные черные дыры в поисках сходства в поляризационных свойствах их корон. Результаты показывают, что, несмотря на различия в массе, геометрия корон может быть поразительно схожей, что дает новые подсказки о процессах аккреции у этих экстремальных объектов.
Что такое корона черной дыры?
Корона — это область горячей плазмы, окружающая черную дыру, похожая по названию на солнечную корону, но сильно отличающаяся по природе и составу. В то время как солнечная корона состоит из ионизированных газов Солнца, корона черной дыры образуется в результате взаимодействия газа аккреционного диска, который нагревается до экстремальных температур в результате процессов аккреции и излучения. Эта корона ответственна за излучение рентгеновских лучей, которые могут быть обнаружены специализированными телескопами, такими как IXPE.
В высокоэнергетическом состоянии корона доминирует в области рентгеновского излучения, тогда как в мягком состоянии аккреционный диск излучает больше энергии. Геометрия короны была предметом дискуссий на протяжении десятилетий: модели предлагали форму компактной сферы, плоскую плитообразную структуру или основание релятивистской струи. Однако недавние данные позволили определить более точную форму, предполагающую удлиненную и вытянутую структуру.
Новые наблюдения: роль IXPE
IXPE, запущенный в 2021 году, является первым телескопом, способным измерять поляризацию рентгеновских лучей с высокой точностью. Эта способность позволила астрономам получать информацию о геометрии короны по направлению поляризации излучаемого света. Согласно статье: «Рентгеновская поляризация может быть использована как независимый инструмент для проверки сходства процессов аккреции в звездных и сверхмассивных черных дырах».
Наблюдения показали, что и звездные, и сверхмассивные черные дыры обладают схожими поляризационными свойствами, особенно в высокоэнергетическом состоянии. Это говорит о том, что независимо от массы черной дыры форма короны может быть одинаковой, что подтверждает гипотезу об общей геометрии этих объектов в этом состоянии аккреции.
Какова же тогда геометрия корон черных дыр?
Открытие общей геометрии между различными типами черных дыр имеет глубокие последствия для астрофизики. Если форма короны у звездных и сверхмассивных черных дыр одинакова, это будет указывать на то, что процессы аккреции подчиняются универсальным правилам, независимо от размера черной дыры. Этот вывод подтверждается поляризационными наблюдениями, которые показывают, что углы поляризации совпадают с осью системы в твердом состоянии.
По словам авторов исследования, «результаты представляют собой предварительное свидетельство того, что звездные и сверхмассивные черные дыры имеют общую геометрию аккреции». Это открытие актуально, поскольку позволяет использовать данные о более близких и меньших черных дырах для определения характеристик сверхмассивных черных дыр, которые сложнее изучать из-за их расстояния и размера.
Поляриметрический анализ черных дыр, как тех, у которых излучение наблюдается непосредственно, так и тех, у которых оно блокируется окружающим веществом, предполагает вытянутую геометрию короны вдоль плоскости аккреционного диска. Когда излучение видно, угол поляризации указывает на то, что корона совпадает с плоскостью диска, ориентируя вектор поляризации перпендикулярно этой плоскости и параллельно оси симметрии системы, указывая вертикально. С другой стороны, когда излучение затруднено газовым тором, рассеянные фотоны показывают, что, если этот тор простирается в вертикальном направлении, угол поляризации выравнивается перпендикулярно оси системы, а вектор поляризации направлен наружу плоскости изображения.
