Аккреционный диск — это колоссальный водоворот газа и пыли, который собирается вокруг черной дыры или нейтронной звезды, подобно сладкой вате, притягивая материал от ближайшей звезды. Когда диск вращается, он подгоняет мощные ветры, которые толкают и притягивают расползающуюся вращающуюся плазму. Эти массивные выбросы могут воздействовать на окрестности черных дыр, нагревая и унося газ и пыль вокруг них.

В огромных масштабах «дисковые ветры» могут дать ключ к пониманию того, как сверхмассивные черные дыры формируют целые галактики. Астрономы наблюдали признаки дисковых ветров во многих системах, включая аккрецирующие черные дыры и нейтронные звезды. Но до настоящего времени они видели лишь очень узкий взгляд на это явление.

Теперь астрономы Массачусетского технологического института наблюдали более широкий диапазон ветров в Геркулесе X-1, системе, в которой нейтронная звезда оттягивает материал от солнцеподобной звезды. Аккреционный диск этой нейтронной звезды уникален тем, что он колеблется или «прецессирует» при вращении. Воспользовавшись этим колебанием, астрономы впервые зафиксировали различные перспективы вращающегося диска и создали двухмерную карту его ветров.

Новая карта показывает вертикальную форму и структуру ветра, а также его скорость — около сотен километров в секунду или около миллиона миль в час, что находится на более мягком конце того, что могут раскручивать аккреционные диски.

Если астрономы смогут обнаружить больше колеблющихся систем в будущем, метод картирования команды может помочь определить, как дисковые ветры влияют на формирование и эволюцию звездных систем и даже целых галактик.

«В будущем мы могли бы нанести на карту дисковые ветры в ряде объектов и определить, как свойства ветра меняются, например, в зависимости от массы черной дыры или от того, сколько материала она аккрецирует», — говорит Питер Косек, постдоктор в Институт астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. «Это поможет определить, как черные дыры и нейтронные звезды влияют на нашу вселенную».

Косек является ведущим автором исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy . Его соавторами из Массачусетского технологического института являются Эрин Кара, Даниэле Рогантини и Клод Канисарес, а также сотрудники из нескольких учреждений, включая Институт астрономии в Кембридже, Великобритания.

Фиксированный прицел

Дисковые ветры чаще всего наблюдались в рентгеновских двойных системах — системах, в которых черная дыра или нейтронная звезда вытягивают материал из менее плотного объекта и создают раскаленный добела диск из вдыхаемой материи вместе с вытекающим ветром. Как именно ветры запускаются из этих систем, неясно. Некоторые теории предполагают, что магнитные поля могут разорвать диск и выбросить часть материала наружу в виде ветра. Другие полагают, что излучение нейтронной звезды могло нагревать и испарять поверхность диска раскаленными добела порывами.

Подсказки к происхождению ветра можно вывести из его структуры, но определить форму и протяженность дисковых ветров было трудно. Большинство двойных систем производят аккреционные диски относительно ровной формы, похожие на тонкие пончики газа, вращающиеся в одной плоскости. Астрономы, которые изучают эти диски с далеких спутников или телескопов, могут наблюдать эффекты дисковых ветров только в фиксированном и узком диапазоне относительно их вращающегося диска. Таким образом, любой ветер, который астрономам удается обнаружить, является небольшой частью его более крупной структуры.

«Мы можем исследовать свойства ветра только в одной точке, и мы совершенно слепы ко всему вокруг этой точки», — отмечает Косек.

В 2020 году он и его коллеги поняли, что одна бинарная система может дать более широкое представление о дисковых ветрах. Hercules X-1 выделяется среди большинства известных рентгеновских двойных систем искривленным аккреционным диском, который колеблется при вращении вокруг центральной нейтронной звезды системы.

«Диск действительно колеблется каждые 35 дней, и ветры возникают где-то в диске и со временем пересекают линию нашего обзора на разных высотах над диском», — объясняет Косек. «Это очень уникальное свойство этой системы, которое позволяет нам лучше понять ее свойства вертикального ветра».

Деформированное колебание

В новом исследовании исследователи наблюдали за Геркулесом X-1 с помощью двух рентгеновских телескопов — XMM Newton Европейского космического агентства и обсерватории Чандра НАСА.

«То, что мы измеряем, — это рентгеновский спектр, который означает количество рентгеновских фотонов, достигающих наших детекторов, в зависимости от их энергии. Мы измеряем линии поглощения или отсутствие рентгеновского света при очень определенных энергиях». — говорит Косек. «По соотношению силы различных линий мы можем определить температуру, скорость и количество плазмы в дисковом ветре».

С искривленным диском Геркулеса X-1 астрономы смогли увидеть линию диска, движущуюся вверх и вниз, когда он качался и вращался, подобно тому, как искривленная пластинка кажется колеблющейся, если смотреть с ребра. Эффект был таким, что исследователи могли наблюдать признаки дисковых ветров на меняющихся высотах по отношению к диску, а не на одной фиксированной высоте над равномерно вращающимся диском.

Измеряя рентгеновское излучение и линии поглощения по мере раскачивания и вращения диска с течением времени, исследователи смогли сканировать такие свойства, как температура и плотность ветра на различных высотах относительно диска, и построить двухмерную карту скорости ветра. вертикальная структура.

«Мы видим, что ветер поднимается от диска под углом около 12 градусов по отношению к диску, когда он расширяется в пространстве», — говорит Косек. «Он также становится холоднее и комковатее, а также слабее на больших высотах над диском».

Команда планирует сравнить свои наблюдения с теоретическим моделированием различных механизмов запуска ветра, чтобы увидеть, какой из них лучше всего объясняет происхождение ветра. Дальше они надеются обнаружить больше искривленных и колеблющихся систем и нанести на карту их дисковые ветровые структуры. Тогда у ученых появится более широкое представление о дисковых ветрах и о том, как такие потоки влияют на их окружение, особенно в гораздо больших масштабах.

«Как сверхмассивные черные дыры влияют на форму и структуру галактик?» позирует Эрин Кара, выпускница 1958 года, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Одна из ведущих гипотез заключается в том, что дисковые ветры, запускаемые из черной дыры, могут влиять на внешний вид галактик. Теперь мы можем получить более подробную картину того, как эти ветры запускаются и как они выглядят».