Существующая парадигма ускорения частиц под угрозой: черная дыра вызвала удивление не только у астрономов

Не так давно было обнаружено, что струи черных дыр излучают рентгеновское излучение, и до сих пор неизвестно, как они ускоряют частицы до такого высокоэнергетического состояния. Одна из самых популярных моделей того, как струи производят рентгеновское излучение, предсказывает, что излучение будет оставаться постоянным в течение очень долгого времени (миллионы лет). Хотя новое исследование, похоже, опровергает эту теорию.

Что такое струи черных дыр?

Струи черных дыр — это мощные потоки плазмы, которые выбрасываются с полюсов черных дыр в пространство. Черные дыры — это космические объекты, которые образуются при сжатии массивных тел под действием гравитации. Излучение черной дыры не может покинуть ее границу — горизонт событий. Однако в процессе поглощения вещества из окружающей среды черная дыра может формировать струи, которые достигают огромных скоростей и расстояний.

Струи черных дыр излучают в разных диапазонах электромагнитного спектра, в том числе в рентгеновском. Это излучение можно обнаружить с помощью специальных телескопов, таких как рентгеновская обсерватория Chandra. Изучение струй помогает узнать больше о природе черных дыр и их взаимодействии с окружающей средой.

Как струи черных дыр производят рентгеновские лучи?

Существует несколько моделей, которые пытаются объяснить, как струи черных дыр могут генерировать рентгеновские лучи. Одна из самых популярных — это модель обратного комптоновского рассеяния космического микроволнового фона (IC/CMB). Согласно этой модели, рентгеновские лучи возникают, когда низкоэнергетические электроны в струе переносят свою энергию на фотоны космического микроволнового фона, который заполняет Вселенную.

Эта модель предполагает, что струи сохраняют свою скорость и направление на больших расстояниях от черной дыры и что рентгеновское излучение струй остается постоянным в течение миллионов лет. Однако новое исследование астрономов из Университета Мэриленда (США) опровергает эту гипотезу.

Что нового выяснили астрономы?

Астрономы проанализировали данные рентгеновской обсерватории Chandra за 20 лет наблюдений. Они изучили 53 струи черных дыр в разных галактиках и обнаружили, что 18 из них меняли свою яркость в рентгеновском диапазоне за несколько лет или даже месяцев. Это означает, что процесс ускорения частиц в струях не происходит только в центре галактики, у самой черной дыры, а продолжается по всей их длине.


— Эйлин Мейер, астроном из Университета Мэриленда, округ Балтимор.

Струи, расположенные ближе к Земле, демонстрируют более высокую изменчивость, чем те, которые расположены на больших расстояниях. Эти последние объекты находятся так далеко, что, когда их свет попадает в телескоп, создается впечатление, что вы смотрите назад во времени. Почему старые струи менее изменчивы. Исследователи полагают, что ранее в истории Вселенной она была меньше, а окружающее излучение было выше, что, возможно, увеличило стабильность рентгеновских лучей в струях.

Авторы исследования предложили другую модель для объяснения рентгеновского излучения струй — синхротронную. Согласно этой модели, рентгеновские лучи порождаются высокоэнергетическими электронами в магнитном поле струй. Эти электроны могут ускоряться в результате перезамыкания магнитных силовых линий в струе или других неизвестных механизмов.

Это открытие бросает вызов принятой теории и открывает новые возможности для изучения струй черных дыр и их свойств.