Разгадана тайна рентгеновского излучения черных дыр

Это тайна ставила в тупик уже не одно поколение астрофизиков на протяжении последних десятилетий - как же черные дыры испускают так много мощного рентгеновского излучения?

В новом совместном исследовании астрофизиков из Университета Джона Хопкинса (JHU), НАСА и Рочестерского технологического института был наведен своеобразный мост между теорией и результатами наблюдений. Выяснилось, что газ, падая в воронку черной дыры, излучает потоки мощных рентгеновских лучей.

В статье, недавно опубликованной в Astrophysical Journal, говорится, что газ, вращающийся вокруг черной дыры и образующий так называемый аккреционный диск, нагревается примерно до 10 миллионов градусов по Цельсию. Температура в толще этого диска примерно в 2000 раз больше, чем на поверхности Солнца. Оттуда исходят «мягкие» рентгеновские лучи. Однако астрономам также удалось зарегистрировать и в 100 раз более мощное «жесткое» рентгеновское излучение.

В своем исследовании, астрофизики Джулиан Кролик (Julian Krolik) и Джереми Шниттман (Jeremy Schnittman) из балтиморской школы Кригера при JHU совместно с коллегами-учеными использовали комбинацию моделирования на современном суперкомпьютере с традиционными рукописными расчетами. Эти научные усилия позволили сделать вывод, что высокая энергия «жесткого» излучения не только возможный, но неизбежный результат втягивания газа в черную дыру.

«Черные дыры действительно необычные космические объекты с чрезвычайно высокой температурой, невероятно быстрым вращением и беспрецедентными гравитационными парадоксами – то есть с полным набором странностей общей теории относительности, - рассказал профессор Джулиан Кролик. - Но наши расчеты показывают, мы можем понять многое о них, используя только стандартные принципы физики».

Так как за последние годы в науке улучшилось качество и количество наблюдений за изменением значений высоких энергий, ученым удалось доказательно установить, что фотоны должны возникать в горячей разреженной области, называемой короной черной дыры. Эта корона, яростно кипящая над сравнительно прохладным аккреционным диском, действительно напоминает солнечную корону, которая, как известно, добавляет в солнечный спектр большую часть ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

В то время как работа научной команды исследователей черных дыр и высоких энергий подтвердила «ручными» вычислениями и интерпретацией астрономических наблюдений это широко распространенное в науке убеждение, решено было использовать еще и достижения передовых технологий. Грант от Национального научного фонда позволил команде получить доступ к суперкомпьютеру Ranger в Вычислительном Центре Texas Advanced, расположенном в Техасском Университете в Остине. Ranger трудился над расчетами 27 дней, в течение 600 часов.

Астрофизик из НАСА Скотт Нобль разработал компьютерное моделирование для решения уравнений, описывающих сложное движение падающего по спирали аккрецирующего газа и связанных с ним вариаций магнитных полей вблизи черной дыры. И вот итог - повышение температуры, плотности и скорости оказывает дополнительное воздействие на свойства газа. В результате возникает своеобразная турбулентная «пена», вращающаяся вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света.

Исследователям удалось установить, что газ, падающий по спирали в жерло черной дыры, испускает «жесткое» рентгеновское излучение, происхождение которого долго оставалось загадкой

«В некотором смысле, мы должны были, конечно, ждать появления новой технологии, которая позволила бы сделать это открытие, - сказал Джулиан Кролик. – Но мы сумели обойтись и тем, чем владеем. Операции численного моделирования были проведены на высоком уровне и с качеством, позволяющим считать результаты заслуживающими доверия».