Астрономы выяснили, что любимое лакомство черных дыр — это квазары

В центре больших галактик, таких как наш Млечный Путь, находятся сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Эти гиганты притягивают к себе звезды, газ и пыль сильнейшим гравитационным притяжением — самым сильным во Вселенной. Когда СМЧД поглощают эту материю, происходит яркая вспышка энергии — самыми яркими вспышками являются квазары.

Хотя астрофизики считают, что сверхмассивные черные дыры «поедают» материю слишком медленно, чтобы вызвать образование определенного типа квазаров, новые исследования демонстрируют как раз обратное.

Исследование, вышедшее в The Astrophysical Journal, основано на компьютерном моделировании, которое проводилось на мощном суперкомпьютере Summit — это один из самых быстрых компьютеров в мире, 340-тонный гигант.

Когда СМЧД притягивают материю к себе, та не падает прямо в дыру. Вместо этого она образует аккреционный диск — вращающийся диск газа и пыли. Вращающийся диск нагревается и выделяет электромагнитную энергию, которую с Земли можно увидеть в разные телескопы в тот момент, когда он падает в черную дыру. Когда вспышки энергии очень яркие, их называют квазарами.

Но эти диски чрезвычайно сложны для изучения. Иногда они ярко вспыхивают, а затем внезапно тускнеют, всего за несколько месяцев. Это очень короткий период времени для астрофизического объекта. Современная теория не может этого объяснить.

Новое моделирование показывает, что сверхмассивные черные дыры «поедают» материю быстрее, чем предполагалось. Встреча диска и черной дыры носит резкий характер и разрывает водоворот газа на две части: внутренний субдиск и внешний субдиск.

СМЧД сначала использует внутренний поддиск. Черной дыре требуется всего несколько месяцев, чтобы поглотить это внутреннее кольцо вращающейся пыли, и при этом она высвобождает огромное количество энергии в виде квазара. Затем материал внешнего диска перемещается внутрь, образуя новый внутренний диск, и весь процесс повторяется. 

Если моделирование верно и этот цикл «поедание — пополнение — поедание» занимает всего несколько месяцев, а не сотни лет, то это может объяснить некоторые наблюдаемые квазары, которые живут всего несколько месяцев. 

Существуют разные типы квазаров, и астрофизики изо всех сил пытаются объяснить явление, которое они называют квазарами с «меняющимся внешним видом». До 50% наблюдаемых квазаров меняют внешний вид, и результаты исследование, похоже, объясняют это.

Классическая теория аккреционного диска предсказывает, что диск эволюционирует медленно. Новая гипотеза сильно отличается от того, как классическая теория описывает аккреционные диски черных дыр. Согласно существующей теории, материя вблизи черной дыры образует довольно предсказуемый диск, горячий, яркий и вращающийся так же, как и черная дыра. Но это не может объяснить резкое изменение внешнего вида квазаров. Однако явления, которые наблюдались в ходе исследования, потенциально могут объяснить это. Быстрое прояснение и затемнение соответствуют разрушению внутренних областей диска.

Поэтому, когда они вращаются, они «затягивают» пространство вокруг себя, как гигантская карусель, и заставляют его тоже вращаться. Это создает действительно сильный эффект вблизи черной дыры, который становится все слабее по мере удаления от нее.

Именно это позволяет СМЧД отрывать внутренний диск от внешнего и поглощать его. Когда внутренний диск отрывается, он прецессирует независимо. Силы в диске не согласованы, и это деформирует весь диск. Согласно моделированию Summit, газ из разных частей диска сталкивается и создает яркие толчки. Эти толчки направляют еще больше материала к черной дыре.

Когда диск разрывается на две части, он также создает то, что исследователи называют стримерами. Эти стримеры падают на внутренний субдиск с обеих сторон. Это приводит к дальнейшей аккреции во внутренний диск, увеличивая размер «еды» черной дыры. После столкновения часть материала стримеров «переливается» на внутренний субдиск.

Это сильно отличается от классического понимания черных дыр. С этой точки зрения, единый диск СМЧД движется предсказуемо, и вещество иногда падает в черную дыру. Но симуляции показывают, что мощные силы вблизи черной дыры разрывают диск на две части, и они начинают раскачиваться независимо, вызывая толчки и стримеры, которые еще больше усложняют процесс.

Фактически происходит битва между огромной гравитацией черной дыры и искривлением пространства-времени и энергией вращающегося диска. Черная дыра всегда побеждает, и именно это разрывает диск на части. Область, где происходит разрыв, имеет решающее значение. Внутренний и внешний диски сталкиваются друг с другом. Внешний диск срезает слои внутреннего диска, толкая его внутрь.

Внутренний и внешний диски смещаются, и это еще больше усложняет ситуацию. Они пересекаются под разными углами, и внешний диск выливает материал на вершину внутреннего диска. Увеличение массы помогает подтолкнуть внутренний диск к черной дыре, ускоряя ее поглощение. Когда внутренний диск исчезает в отверстии, его место занимает материал внешнего диска и снова заполняет внутренний диск.

Внутренняя область аккреционного диска, откуда исходит большая часть яркости, может полностью исчезнуть — очень быстро, в течение нескольких месяцев. По сути, мы видим, что система перестает быть яркой. Затем она снова светлеет, и процесс повторяется. Традиционная же теория не может объяснить, почему аккреционный диск вообще исчезает, и каким образом он так быстро восполняется.

Но если симуляция верна, то теперь ученым известно, что происходит. Это также проливает больше света на черные дыры в целом, а не только на квазары. Ведь астрофизики до сих пор не знают, как именно газ попадает из аккреционного диска в черную дыру.